Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Сплавы на основе титана являются перспективными конструкционными материалами для авиационной и космической техники благодаря удачному сочетанию коррозионной стойкости и механических свойств [1]. Для улучшения характеристик таких сплавов применяют различные виды термообработки [2]. В частности, проводят закалку титановых сплавов с высоких температур в воде. Однако закалка в воде сопровождается окислением при нагреве, ведущему к изменению формы детали и ее механических свойств. Поэтому нагрев часто производят в вакууме и выполняют закалку в потоке аргона высокого давления [3]. Однако в термическом производстве чаще используют азот, поскольку его охлаждающая способность выше, чем у аргона [4]. В ходе закалки азотом высокого давления в сплаве возможно насыщение тонкого поверхностного слоя атомами азота, а в случае закалки в воде — атомами кислорода. Эти процессы сопровождаются фазовыми превращениями в поверхностном слое сплава и изменяют физические характеристики этого слоя. В результате можно получить материал, который имеет улучшенные показатели твёрдости, прочности и износостойкости на поверхности, но при этом сохраняет вязкую сердцевину, что позволяет ему противостоять образованию усталостных трещин.
Цель данной работы – получить данные о фазовом состоянии поверхностного слоя сплава ВТ23 после его закалки в воде и в потоке газа – азота.
Для исследования был выбран -сплав ВТ23 на основе титана. Он имеет химический состав (ОСТ 1 – 90013 – 81): 83 – 89, 3 % Ti, 4 – 6,3 % Al, 4 – 5 % V, 1,5 – 2,5 % Mo, 0,8 – 1,4 % Cr, 0,4 – 1 % Fe, 0,3 % Zr, а также 0,15 % O, 0,15 % Si, 0,1 % C, 0,05 % N, 0,015 % H.
Исследовали образцы после закалки в воде и азоте высокого давления. Закалку осуществляли с температуры 850 °C, не превышающей температуру полиморфного превращения исследуемого сплава.
Рентгенофазовый анализ образцов осуществляли на рентгеновском дифрактометре X’pert PANAnalytical. Использовали Cu-Kα излучение, при регистрации числа импульсов детектора по точкам с шагом 0.05 градуса по 2θ в режиме θ/2θ сканирования в диапазоне углов 30...120° с применением схемы фокусировки по Бреггу — Брентано и монохроматора, установленного между образцом и детектором. Эффективная глубина проникновения Cu–Kα излучения в сплаве для исследуемого диапазона углов составляла порядка 5 мкм. Фазовый состав слоев приблизительно такой толщины исследовали в данной работе.
В исходном состоянии фазовый состав сплава ВТ23 представляет собой твердые растворы легирующих элементов на основе титана двух видов: α-твердый раствор с ГПУ-решеткой и β-твердый раствор с ОЦК-решеткой. Причем из легирующих элементов α-стабилизатором является только алюминий. Остальные элементы являются β-стабилизаторами, что объясняет уменьшение температуры полиморфного превращения и оказывает влияние на выбор температуры закалки.
Рентгенограмма сплава ВТ23 после закалки в воде приведена на рис. 1 в области малых и средних углов и на рис. 2 в области больших углов.
Из дифрактограммы на рис. 1, 2 видно, что пики наибольшей интенсивности соответствуют -твердому раствору кислорода и легирующих элементов в титане (в основном Al и V). С кислородом -титан образует твердый раствор внедрения, причем при этом происходит уменьшение параметров решетки, что вызывает смещение соответствующих пиков в сторону больших углов в сравнении с эталоном базы данных, имеющим параметры решетки чистого титана. В образце должен присутствовать -титан в очень малом количестве, но на дифрактограмме из-за шумов, сильного фона и большого числа оксидных пиков самостоятельные пики, соответствующие -фазе, обнаружить не удалось.
В образце сплава ВТ23, закаленном в воде, было обнаружено большое количество оксидов. Среди них основными являются: и . Причем имеет три различных модификации: рутил и анатаз с тетрагональной сингонией, но разными параметрами решетки и брукит, который относится к ромбической сингонии. Устойчивым соединением является только рутил, поэтому пики, отвечающие ему, преобладают. В области малых и средних углов дифракционная картина представлена максимумами, которые отвечают смесям следующих оксидов: , которые можно описать одной формулой где . Они имеют триклинную кристаллическую систему, а их положение по углам показывает большие значения параметров решетки. Так как эти оксиды не имеют обособленных максимумов и накладываются друг на друга, сказать точно о том, какие из них на самом деле присутствуют в поверхностном слое титана, затруднительно.
Рентгенограмма сплава ВТ23 после закалки в азоте приведена на рис. 3 в области малых и средних углов и на рис. 4 в области больших углов.
Из дифрактограммы на рис. 3–4 видно, что пики наибольшей интенсивности соответствуют -твердому раствору азота и легирующих элементов в титане (в основном Al и V). С азотом – титан образует твердый раствор внедрения, причем при этом происходит увеличение параметров решетки, что вызывает смещение соответствующих пиков в сторону меньших углов в сравнении с эталоном базы данных, имеющим параметры чистого титана. Алюминий, в свою очередь, образует с -титаном твердый раствор замещения, что приводит к уменьшению параметров решетки. С ванадием титан также образует твердый раствор замещения, который характеризуется увеличением отношения параметров решетки c/a. Пики, соответствующие твердому раствору, имеют широкий профиль или раздвоенные вершины. Уширения дифракционных максимумов как раз подтверждают искажения решетки титана вследствие внедрения атомов азота. А раздвоенные вершины говорят нам о том, что в образце существуют вариации твердых растворов легирующих элементов и азота в титане, которые создают распределение межатомных расстояний для одного набора кристаллографических плоскостей. Также картина дифракции позволяет увидеть, что закалка в азоте приводит к образованию нитридов на поверхности титана. Их наличие подтверждается наличием обособленных пиков данных фаз. Но некоторые из них накладываются на пики -титана, что также оказывает влияние на форму профиля таких пиков. В малом количестве обнаруживаются индивидуальные пики, соответствующие -твердому раствору замещения легирующих элементов в титане (в основном Mo, Cr и V), для которого характерно уменьшение параметра решетки.
В заключение можно сделать следующие выводы.
