RU2117073C1 - Способ модификации поверхности титановых сплавов - Google Patents
Способ модификации поверхности титановых сплавов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2117073C1 RU2117073C1 RU97111442A RU97111442A RU2117073C1 RU 2117073 C1 RU2117073 C1 RU 2117073C1 RU 97111442 A RU97111442 A RU 97111442A RU 97111442 A RU97111442 A RU 97111442A RU 2117073 C1 RU2117073 C1 RU 2117073C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- energy
- dose
- kev
- ions
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение носится к способам упрочнения поверхности деталей из титановых сплавов путем ионного легирования с последующей термообработкой и может быть использовано для обработки поверхности изделий, эксплуатируемых при высоких нагрузках, в частности, титановых лопаток компрессора ГТД. Способ позволяет улучшить эксплуатационные характеристики деталей из титановых сплавов. Поставленная задача реализуется путем последовательной обработки пучками ионов аргона с энергией 250 - 400 эВ, плотностью ионного тока 1 - 10 мА/см2 и дозой (1 - 2) • 1019 ион/см2, ионов азота с энергией 250 - 400 эВ, плотностью ионного тока 10 - 40 мА/см2, дозой (1 - 2) • 1019 ион/см2 и последующего стабилизирующего отжига при 450 - 600oC в вакууме (1 - 5) • 10-3 Па в течение 1,5 - 2 ч. 2 ил.
Description
Изобретение относится к способам модификации поверхности деталей из титановых сплавов путем ионного легирования с последующей термообработкой и может быть использовано при изготовлении изделий в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности, которые эксплуатируются при высоких нагрузках и температурах.
Известен ряд способов модификации поверхности деталей посредством ионного легирования для решения задачи повышения эксплуатационных свойств изделий.
Способ, заключающийся в имплантации ионов азота или углерода с энергией E = 25 - 100 кэВ, плотностью тока I = 10 - 100 мкА/см2, дозой облучения D≥5•1017 ион/см2 [1].
Способ, обеспечивающий имплантацию ионов различных элементов на глубину, превышающую их проецированный пробег, что достигается при одновременном ионном легировании и облучении потоком электронов с энергией электронов, меньшей энергии порога дефектообразования [2].
Способ поверхностного легирования титана для повышения коррозионной стойкости путем ионной имплантации палладия с энергией E = 30 - 40 кэВ и дозой D = 1•1016 - 5•1017 ион/см2, кроме того, способ отличающийся тем, что предварительно имплантируют кислород с энергией E = 30 - 40 кэВ и дозой
D = 5•1017 - 1•1018 ион/см2, а затем палладий с энергией
E = 30 - 40 кэВ и дозой D = 5•1015 - 5•1016 ион/см2 [3].
D = 5•1017 - 1•1018 ион/см2, а затем палладий с энергией
E = 30 - 40 кэВ и дозой D = 5•1015 - 5•1016 ион/см2 [3].
Недостатком вышеперечисленных способов является невозможность обеспечения комплекса эксплуатационных характеристик на требуемом уровне из-за малой глубины проникновения ионов и, как следствие, недостаточной степени упрочнения модифицированной поверхности.
Для того, чтобы ликвидировать этот недостаток, предлагается способ обработки стальных изделий, включающий закалку и ионную имплантацию, где для повышения износостойкости изделий путем увеличения глубины модифицированного слоя, его микротвердости и производительности процесса, имплантацию проводят интенсивными импульсными пучками положительных ионов азота, или азота и водорода, или азота и гелия с энергией E = 10 - 20 кэВ, дозой
D = 2•1016 - 2•1017 ион/см2 при плотности тока I = 1 - 500 мА/см2 и длительности импульса тока ионов 1 - 20 A, определяемой следующим соотношением:
τи= (Tдоп-T)2•π•ρ•c•k/4•(I•E)2,
где
Tдоп - допустимая температура поверхности изделия;
T - начальная температура поверхности изделия;
ρ , c, k - соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности стали;
I и E - соответственно плотность тока и энергия ионов.
D = 2•1016 - 2•1017 ион/см2 при плотности тока I = 1 - 500 мА/см2 и длительности импульса тока ионов 1 - 20 A, определяемой следующим соотношением:
τи= (Tдоп-T)2•π•ρ•c•k/4•(I•E)2,
где
Tдоп - допустимая температура поверхности изделия;
T - начальная температура поверхности изделия;
ρ , c, k - соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности стали;
I и E - соответственно плотность тока и энергия ионов.
Кроме того, способ, отличающийся тем, что для дальнейшего повышения износостойкости за счет дальнейшего увеличения глубины модифицированного слоя, после имплантации проводят отпуск при θ = 520 - 700oC [4].
Недостатком указанного способа является нагрев поверхности обрабатываемого изделия, который является естественным следствием применения дорогостоящего технологического оборудования, работающего с высокими энергиями и плотностями тока и, соответственно, потребляющего много электрической энергии.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ, включающий ионную очистку поверхности, имплантацию ионов азота с энергией E = 40 - 100 кэВ, плотностью ионного тока
I = 1 - 5 мА/см2, дозой D = (1 - 2)•1019 ион/см2, затем имплантацию ионов бора или редкоземельных элементов с энергией E = 30 - 100 кэВ, плотностью ионного тока I = 20 - 100 мкА/см2, дозой D = 5•1016 - 1•1017 ион/см2 и, наконец, стабилизирующий отжиг при температуре θ = 450 - 650oC и давлении остаточных газов
p = (1 - 5)•10-3 Па в течение τ = 1,5 - 2 ч [5].
I = 1 - 5 мА/см2, дозой D = (1 - 2)•1019 ион/см2, затем имплантацию ионов бора или редкоземельных элементов с энергией E = 30 - 100 кэВ, плотностью ионного тока I = 20 - 100 мкА/см2, дозой D = 5•1016 - 1•1017 ион/см2 и, наконец, стабилизирующий отжиг при температуре θ = 450 - 650oC и давлении остаточных газов
p = (1 - 5)•10-3 Па в течение τ = 1,5 - 2 ч [5].
Недостатком прототипа является небольшая глубина проникновения ионов и, как следствие, небольшая степень упрочнения поверхности (HV/HVнеимпл = 1,3 - 1,5), которая не позволяет обеспечить целый комплекс эксплуатационных свойств на требуемом уровне.
Задача изобретения - повышение эксплуатационных свойств изделий из титановых сплавов за счет увеличения степени упрочнения поверхности.
Поставленная задача достигается тем, что в способе модификации поверхности титановых сплавов, по которому имплантируют ионы азота и проводят стабилизирующий отжиг, в отличие от прототипа, производят предварительную обработку ионами аргона с энергией E = 250 - 400 эВ, плотностью ионного тока I = 1 - 10 мА/см2 и дозой D = (1 - 2)•1019 ион/см2, затем ионами азота с энергией E = 250 - 400 эВ, плотностью ионного тока I = 10 - 40 мА/см2, дозой D = (1 - 2)•1019 ион/см2.
Пример конкретной реализации способа
Механически полированные образцы из сплавов ВТ6 (Ti - 6% Al - 4% V) облучались на ионно - плазменном ускорителе "ВИТА" [6] потоками низкоэнергетичных (E = 300 эВ) и высокоэнергетичных (E = 30 - 40 кэВ) ионов азота. С целью активизации сорбционных процессов на поверхности и изучения влияния радиационных дефектов при последующем ионном легировании ряд образцов из сплава ВТ6 подвергался предварительной бомбардировке ионами аргона (E = 300 эВ). Нагрев мишени осуществлялся за счет выделяющейся на ней мощности ионного пучка и поддерживался на уровне θ = 300oC.
Механически полированные образцы из сплавов ВТ6 (Ti - 6% Al - 4% V) облучались на ионно - плазменном ускорителе "ВИТА" [6] потоками низкоэнергетичных (E = 300 эВ) и высокоэнергетичных (E = 30 - 40 кэВ) ионов азота. С целью активизации сорбционных процессов на поверхности и изучения влияния радиационных дефектов при последующем ионном легировании ряд образцов из сплава ВТ6 подвергался предварительной бомбардировке ионами аргона (E = 300 эВ). Нагрев мишени осуществлялся за счет выделяющейся на ней мощности ионного пучка и поддерживался на уровне θ = 300oC.
Сущность способа поясняется чертежами 1 и 2.
На фиг. 1 изображено изменение микротвердости по Виккерсу в зависимости от нагрузки для сплава ВТ 6 с мелкозернистой структурой при различных способах облучения ионами аргона и азота с энергией E = 30 кэВ и E = 300 эВ при температуре θ = 300oC:
1 - Ar+ 300 эВ, 5 мА/см2, 1•1019 ион/см2 + N 300 эВ, 20 мА/см2, 2•1019 ион/см2;
2 - Ar+ 300 эВ, 5 мА/см2, 1•1019 ион/см2 + N 30 кэВ, 10 мкА/см2, 1•1017 ион/см2 + N 300 эВ, 20 мА/см2, 2•1019 ион/см2;
3 - N 30 кэВ, 10 мкА/см2, 1•1017 ион/см2 + N 300 эВ, 10 мА/см2, 2•1019 ион/см2;
4 - N 300 эВ, 10 мА/см2, 2•1019 ион/см2 + N 30 кэВ, 10 мкА/см2, 1•1017 ион/см2;
5 - N 300 эВ, 10 мА/см2, 2•1019 ион/см2;
6 - N+ 40 кэВ, 10 мкА/см2, 1•1017 ион/см2,
7 - немодифицированный образец.
1 - Ar+ 300 эВ, 5 мА/см2, 1•1019 ион/см2 + N
2 - Ar+ 300 эВ, 5 мА/см2, 1•1019 ион/см2 + N
3 - N
4 - N
5 - N
6 - N+ 40 кэВ, 10 мкА/см2, 1•1017 ион/см2,
7 - немодифицированный образец.
На фиг. 2 изображено изменение микротвердости по Виккерсу в зависимости от нагрузки для сплава ВТ 6 с мелкозернистой структурой при различных способах облучения ионами аргона и азота с энергией E = 30 кэВ и E = 300 эВ при температуре θ = 300oC. Режимы обработки аналогичны режимам, приведенным на фиг. 1 с добавлением постимплантационного отжига.
Измерения производились при различных нагрузках с учетом того, что по глубине проникновения индентора можно в некоторой степени судить о толщине модификационного слоя.
Анализ фиг. 1 позволяет сделать следующие выводы:
1. Имплантация ионов азота с энергией E = 40 кэВ, плотностью тока I = 10 мкА/см2 и дозой D = 1•1017 ион/см2 является малоэффективной из-за невысокой степени упрочнения поверхностного слоя (HV/HVнеимпл = 1,3 при P = 0,1 H), кривая 6.
1. Имплантация ионов азота с энергией E = 40 кэВ, плотностью тока I = 10 мкА/см2 и дозой D = 1•1017 ион/см2 является малоэффективной из-за невысокой степени упрочнения поверхностного слоя (HV/HVнеимпл = 1,3 при P = 0,1 H), кривая 6.
2. Облучение интенсивным потоком низкоэнергетичных ионов азота (E = 300 эВ), генерируемых плазменным ускорителем, входящим в комплект установки "ВИТА", обеспечивает увеличение микротвердости в ≈ 2 раза, кривая 5, по сравнению с имплантацией ионов азота с энергией E = 40 кэВ.
3. Последовательная обработка низкоэнергетичными и высокоэнергетичными ионами азота позволяет дополнительно повысить степень упрочнения за счет увеличения концентрации азота в приповерхностном слое, кривая 4.
4. Обработка высокоэнергетичными, а затем низкоэнергетичными ионами азота приводит еще к более существенному увеличению микротвердости, кривая 3. Это свидетельствует о влиянии предварительно наведенных радиационных дефектов и имплантированного азота при последующей обработке потоком низкоэнергетичных ионов.
Созданная обработкой высокоэнергетичными ионами (E = 30 кэВ, I = 10 мкА/см2, D = 1•1017 ион/см2) дислокационная структура способствует более глубокому проникновению имплантируемых затем низкоэнергетичных ионов азота (E = 300 эВ, I = 10 мА/см2, D = 2•1019 ион/см2).
5. Максимальное упрочнение (HV/HVнеимпл = 3,3 при P = 0,1 H), кривая 1, получено при последовательной обработке сплава ВТ6 ионами аргона и азота с энергией E = 300 эВ, плотностями ионного тока I = 5 мА/см2 и I = 20 мА/см2, дозами D = 1•1019 ион/см2 и D = 2•1019 ион/см2 соответственно.
Предварительная бомбардировка интенсивным пучком аргона с энергией E = 300 эВ оказывает тот же эффект, что и предварительная имплантация ионов азота с энергией E = 30 кэВ (см. пункт 4), но сильное влияние на упрочнение титанового сплава при последующей обработке низкоэнергетичными ионами азота свидетельствует о важной роли наряду с образованием дислокационной структуры в приповерхностном слое, поверхностных эффектов, связанных с сорбционными процессами, которые активирует аргоновая плазма.
6. Не обнаруживается, что дополнительная имплантация ионов азота с энергией E = 30 кэВ, кривая 2, оказывает влияние на увеличение степени упрочнения поверхности. Отмечается небольшое падение микротвердости, что вероятно, обусловлено дальнейшей перестройкой дефектов решетки появлением дополнительных вакансий, пор, межузельных атомов, способствующих аннигиляции несовершенств и разупрочнению, а также проявлением нежелательного эффекта распыления поверхности обрабатываемого образца.
Постимплантационная обработка - отжиг при θ = 540oC в вакууме p = 3•10-3 Па в течение τ = 2 ч. Обработка служит для стабилизации структурно-фазового состояния и для повышения жаростойкости изделия. Отжиг приводит к увеличению микротвердости в среднем на 6 - 8% по сравнению с неотожженным состоянием (см. фиг. 2) за счет довыделения на поверхности новых фаз (TixNy, TixNyCz, TixOyCzNh), образующихся при ионном легировании.
Данное изобретение позволяет повысить эксплуатационные характеристики изделий из титановых сплавов за счет повышения степени упрочнения поверхности методом ионного легирования, кроме того, изобретение позволяет упростить и удешевить технологический процесс упрочения поверхности изделий, поскольку в нем не используются дорогостоящие ионные источники, работающие с высокими энергиями.
Источники информации:
1. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. - М.: Металлургия, 1990, 216 с.
1. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. - М.: Металлургия, 1990, 216 с.
2. Авторское свидетельство СССР N 1593288 МКИ5 C 23 C 14/48. Способ ионного легирования. Опубликовано 23.07.92. Бюл. N 27.
3. Авторское свидетельство СССР N 1086827 МКИ C 23 C 14/48. Способ поверхностного легирования титана. Опубликовано 15.04.86.
4. Авторское свидетельство СССР N 1670968 МКИ5 C 23 C 14/48. Способ обработки стальных изделий. Опубликовано 30.12.93. Бюл. N 47 - 48.
5. Патент РФ N 2007501 МКИ5 C 23 C 14/48. Способ модификации поверхности жаропрочных сплавов. Опубликован 15.02.94. Бюл. N 3.
6. Смыслов А.М. и др. Повышение эксплуатационных свойств лопаток компрессора из титановых сплавов ионным модифицированием поверхности на установке "ВИТА". // Авиационная промышленность N 5, 1992. с. 24 - 26.
Claims (1)
- Способ модификации поверхности титановых сплавов, по которому имплантируют ионы азота и проводят стабилизирующий отжиг, отличающийся тем, что производят предварительную обработку ионами аргона с энергией 250 - 400 эВ, плотностью ионного тока 1 - 10 мА/см2 и дозой (1 - 2) • 1019 ион/см2, затем имплантируют ионы азота с энергией 250 - 400 эВ, плотностью ионного тока 10 - 40 мА/см2 и дозой (1 - 2) • 1019 ион/см2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97111442A RU2117073C1 (ru) | 1997-07-08 | 1997-07-08 | Способ модификации поверхности титановых сплавов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97111442A RU2117073C1 (ru) | 1997-07-08 | 1997-07-08 | Способ модификации поверхности титановых сплавов |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2117073C1 true RU2117073C1 (ru) | 1998-08-10 |
RU97111442A RU97111442A (ru) | 1998-12-27 |
Family
ID=20195006
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97111442A RU2117073C1 (ru) | 1997-07-08 | 1997-07-08 | Способ модификации поверхности титановых сплавов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2117073C1 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464355C1 (ru) * | 2011-04-19 | 2012-10-20 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов |
RU2470091C1 (ru) * | 2011-11-17 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов |
RU2509174C1 (ru) * | 2012-06-25 | 2014-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов |
RU2700228C1 (ru) * | 2018-08-20 | 2019-09-13 | Научно-производственная ассоциация "Технопарк Авиационных Технологий" | Способ ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса компрессора |
RU2729807C1 (ru) * | 2019-11-07 | 2020-08-12 | Максим Михайлович Харьков | Способ модификации поверхности изделий из титана или его сплавов |
-
1997
- 1997-07-08 RU RU97111442A patent/RU2117073C1/ru active
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464355C1 (ru) * | 2011-04-19 | 2012-10-20 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов |
RU2470091C1 (ru) * | 2011-11-17 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов |
RU2509174C1 (ru) * | 2012-06-25 | 2014-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" | Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов |
RU2700228C1 (ru) * | 2018-08-20 | 2019-09-13 | Научно-производственная ассоциация "Технопарк Авиационных Технологий" | Способ ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса компрессора |
RU2729807C1 (ru) * | 2019-11-07 | 2020-08-12 | Максим Михайлович Харьков | Способ модификации поверхности изделий из титана или его сплавов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3832219A (en) | Methods of treating steel surfaces to modify their structure | |
Proskurovsky et al. | Use of low-energy, high-current electron beams for surface treatment of materials | |
Pogrebnjak et al. | Certain features of high-dose and intensive implantation of Al ions in iron | |
RU2117073C1 (ru) | Способ модификации поверхности титановых сплавов | |
Shulov et al. | Termomechanical processing of titanium alloys by high power pulsed ion beams | |
RU2458182C1 (ru) | Способ имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца | |
Ryabchikov et al. | Modification of 40X13 steel at high-intensity nitrogen ion implantation | |
RU2470091C1 (ru) | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов | |
Zhang et al. | Surface modification of steel by high-dose pulse-ion implantation of titanium, tungsten, molybdenum and carbon | |
RU2509174C1 (ru) | Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов | |
Shulov et al. | Fatigue strength of metals and alloys modified by ion beams | |
Ryabchikov et al. | Nitriding of steel 40x with a high-intensity ion beam | |
RU2070607C1 (ru) | Способ упрочнения изделий из металлов и их сплавов | |
Szcancoski et al. | Mechanical and tribological properties of carbon and nitrogen consecutive ion implantation into aluminium | |
Shulov et al. | Erosion resistance of refractory alloys modified by ion beams | |
RU2210617C1 (ru) | Способ комбинированного борирования углеродистой стали | |
RU2559606C1 (ru) | Способ химико-термической обработки детали из легированной стали | |
RU2039126C1 (ru) | Способ упрочнения изделий из металлов и их сплавов | |
RU2581536C1 (ru) | Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали | |
RU2627551C1 (ru) | Способ химико-термической обработки детали из легированной стали | |
RU2700228C1 (ru) | Способ ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса компрессора | |
Rinner et al. | Composition and microstructure of titanium nitride formed on Ti6Al4V by nitrogen plasma immersion ion implantation | |
RU2087586C1 (ru) | Способ ионной имплантации | |
RU2585149C1 (ru) | Способ имплантации ионами азота поверхностей деталей из конструкционной стали | |
RU2606352C1 (ru) | Способ химико-термической обработки детали из сплава на основе титана |