Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна Академія наук України

Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка

УДК 669.295:621.78.061

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Закономірності термодифузійних процесів у високому вакуумі та їх вплив на структуру і властивості поверхневих шарів титанових сплавів

Спеціальність 05.02.01 - матеріалознавство

Лук'яненко Олександр Геннадійович

Львів 2001

Загальна характеристика роботи

Актуальність. Розвиток авіаційної та космічної техніки, швидкісного транспорту вимагає підвищення надійності та довговічності виробів за умови зменшення їх маси. Вирішення цих завдань неминуче пов'язане з використанням титанових сплавів, які мають високу питому міцність та корозійну тривкість, що, зокрема, досягається термічною обробкою. Оскільки титан та сплави на його основі за дії високої температури (T > 873 K) активно взаємодіють із газами з утворенням поверхневих плівок (оксидних, нітридних або оксинітридних) та поверхневого дифузійного (газонасиченого) шару, під час термічної обробки відповідальних виробів застосовують захисні середовища (інертні гази, вакуум тощо). Високий вакуум (0,133 < P < 13,3 мПа) має суттєві переваги над середовищем інертного газу: забезпечує високу швидкість видалення водню (зневоднення) з об'єму металу, не утворює інтерференційно забарвлених оксидних плівок, зменшує градієнт твердості газонасиченого шару. Високовакуумну термічну обробку (ВВТО) титанових сплавів застосовують після механічної обробки, гарячого деформування та інших технологічних операцій, які спричинюють наводнення металу, а після зварювання, травлення та водневих технологій ВВТО виробів із титанових сплавів є обов'язковою. Питаннями зневоднення займаються у НІАТІ, МАТІ, ВІАМі, ВІЛСі (м. Москва) та інших інститутах і на даний час, загалом, вони вирішуються.

Однак позитивний результат ВВТО нероздільно пов'язаний з її ще недостатньо вивченими наслідками, такими як насичення елементами втілення та збіднення легувальними елементами поверхневого шару металу, рельєфоутворення на поверхні та ін. Інтенсивність процесів газонасичення та сублімації залежить від багатьох факторів: газодинамічних та температурно-часових параметрів розрідженого газового середовища (РГС), фазово-струкутурного та напруженого стану матеріалу тощо. наслідком високотемпературної взаємодії титанових сплавів із РГС є пошкодження поверхневого шару металу, який відіграє вирішальну роль у забезпеченні працездатності виробів, що експлуатуються в умовах циклічного навантаження. Поряд з цим, вплив вищезгаданих факторів на кінетику газонасичення та сублімації вивчений недостатньо, що ускладнює фізико-математичне моделювання цих процесів, прогнозування газонасичення металу, оптимізацію режимів ВВТО. Тому дослідження у цьому напрямку потрібні й актуальні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові та практичні результати дисертації отримані здобувачем (який був виконавцем) при виконанні науково-дослідних робіт у Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка за програмою фундаментальних досліджень “Космическая физика металлов” (Постанова ДКНТ СРСР № 49 від 22.02.1988), за темою “Разработка методов повышения работоспособности алюминиевых и титановых сплавов в жидких и газовых средах” № держ. реєстрації 01860043084, шифр теми 9.23.9.24 (затверджено постановою Президії АН УРСР № 474 від 27.12.1985 р.), по проекту 7.02.02/029-92 ДНТП 6.02 “Нові матеріали” (комплексний проект 6.02.02/001 К-95) “Розробка технологій підвищення працездатності та експлуатаційної надійності виробів з титанових сплавів для авіаційної та космічної техніки на основі принципово нових підходів до використання контрольованих газових середовищ при термічній та хіміко-термічній обробці” № держ. реєстрації 0193U029966, та за темою 2.25.3.3 “Дослідження закономірностей і механізмів формування оксидних і нітридних шарів в нестаціонарних умовах” (затверджена Постановою Відділення ФТПМ НАНУ, протокол № 8 від 13.05.1997) № держ. реєстрації 0197U019049.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - встановити закономірності газонасичення і сублімації під час високотемпературної взаємодії титанових сплавів із РГС, вплив цих процесів на структуру і властивості поверхневого шару металу та розробити методику вибору оптимальних режимів високовакуумної ТО титанових сплавів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було:

1. Встановити вплив температури та газодинамічних умов на кінетику високотемпературної взаємодії -, псевдо-- та (+)-титанових сплавів із РГС з урахуванням текстури металу, напружень та циклічної зміни температури.

2. Встановити фазово-структурні зміни поверхневого шару титанових сплавів, що відбуваються під час ВВТО (температура 923…1273 К та тиск 0,133…13,3 мПа).

3. Встановити кореляцію між твердорозчинним зміцненням поверхневого шару металу, механічними властивостями титанових сплавів і температурно-часовими й газодинамічними параметрами ВВТО.

4. Розробити методику вибору оптимальних режимів ВВТО за рівнем твердорозчинного зміцнення поверхневого шару металу.

Об'єкт дослідження: титанові сплави у газовому середовищі.

Предмет дослідження: закономірності газонасичення титанових сплавів та сублімації їх складових у високому вакуумі (P = 0,133…13,3 мПа) при температурах T = 923…1273 K, структура та властивості поверхневого шару металу.

Методи дослідження. У роботі використані методи: термодинамічного аналізу системи “метал - розріджене газове середовище” у рамках рівноважної термодинаміки для оцінки імовірності перебігу процесів сублімації та оксидоутворення за умов дослідження; неперервної та дискретної термогравіметрії для встановлення кінетики процесів; оптичної та електронної металографії для виявлення структурних змін; рентгеноструктурного, рентгенофазового та мікрорентгеноспектрального аналізів для з'ясування структурно-фазових змін та змін хімічного складу; дюрометрії для визначення рівня твердорозчинного зміцнення; механічних випробувань матеріалів для встановлення впливу фазово-структурних змін у поверхневому шарі на механічні властивості металу; статистичної обробки експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено кінетику газонасичення та сублімації промислових титанових сплавів різних структурних класів (, псевдо-, +) в діапазоні температур 923…1273 К та тиску газового середовища 0,133…13,3 мПа. Виявлено можливість реалізації трьох типів взаємодії: 1) переважаюче газонасичення (ВТ1-0, ВТ5, ПТ-7М); 2) газонасичення з утворенням летючих оксидів та їх наступною сублімацією (ВТ5-1, ПТ_3В, ВТ6С); 3) переважаюча сублімація (ОТ4-1). Визначено кінетичні параметри взаємодії: коефіцієнти швидкості та енергії активації газонасичення. Інтенсивність сублімації прямо пропорційна температурі та обернено пропорційна тиску газового середовища, а інтенсивність газонасичення -- прямо пропорційна температурі та тиску.

Підтверджено, що у високому вакуумі в результаті сублімації та газонасичення відбуваються фазово-структурні зміни в поверхневому шарі титанових сплавів, а на поверхні утворюється мікрорельєф. Якісний та кількісний характер цих змін залежить від типу та інтенсивності взаємодії, які у свою чергу визначаються хімічним та фазовим складом сплаву. Так у результаті взаємодії за другим та третім типами через сублімацію легувального елемента (_стабілізатора) та насичення домішкою втілення (-стабілізатором) у поверхневому шарі відбувається ріст зерен б-фази титану. За всіх типів взаємодії відбувається дифузійне насичення поверхневого шару металу домішками втілення, що з часом збільшує його твердість, градієнт якої залежить від фазового складу сплаву.

Показано, що деформація та циклічна зміна температури, за рахунок збільшення дефектності металу, і кристалографічна текстура “призматичної” орієнтації, за рахунок анізотропії фізичних властивостей, прискорюють термодифузійні процеси на поверхні (фазоутворення, поверхневу дифузію та сублімацію) і в об'ємі металу (газонасичення, дифузію легувальних елементів до поверхні).

Удосконалено фізико-математичну модель високотемпературної взаємодії титанових сплавів із РГС. В рамках цієї моделі введено для опису кінетики коефіцієнт швидкості фазово-граничної реакції, визначені його значення та встановлено залежності від тиску середовища, температури, текстури металу, напружень, що дозволяє обчислити розподіл домішки втілення у поверхневому шарі металу з урахуванням вищезгаданих факторів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена методика вибору температурно-часових та газодинамічних параметрів ВВТО у діапазоні T = 923…1123 K, t = 1…8 год, P = 0,133…13,3 мПа, I_н = 0,8…4 мПас^-1 для забезпечення заданого рівня поверхневого зміцнення виробів із -титанових сплавів. Методика, представлена у розрахунковому варіанті й у вигляді номограм, дозволяє визначити параметри ВВТО, оптимальні за допускним рівнем приросту поверхневої твердості, і може використовуватись для вибору, корегування або експертної оцінки режимів ВВТО -титанових сплавів. Результати роботи використані для розробки технологічних рекомендацій щодо застосування аргоновакуумної термообробки виробів із титанових сплавів ОТ4-1 та ВТ22 для авіаційної техніки на АНТК “Антонов”.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, отриманих результатів і висновків, сформульованих в дисертації, забезпечується коректною постановкою задач та великим обсягом експериментальних досліджень, виконаних із застосуванням сучасних методик і обладнання, їх узгодженням з експериментальними та теоретичними даними інших дослідників.

Особистий внесок здобувача. Здобувач виконав термогравіметричні, дюрометричні та металографічні дослідження, розшифрував рентгенограми та мікрорентгеноспектрограми, провів механічні випробування [1-5, 10-14], термодинамічні розрахунки, сформулював фізичну модель взаємодії титанових сплавів із РГС, за експериментальними даними визначив коефіцієнти швидкості фазово-граничної реакції, здійснив розрахунки концентраційних профілів із використанням програми MathCAD [3, 4, 6-8], зробив узагальнення та сформулював висновки.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були представлені на всесоюзних нарадах “Высокотемпературная газовая коррозия и её влияние на физико-механические свойства титана и его сплавов” (Львів - Славське, 1985, 1987, 1989 рр.), на 2-й Всесоюзній нараді “Высокотемпературные физико-химические процессы на границе раздела твердое тело - газ” (Суздаль, 1987 р.), на V Республіканській конференції “Коррозия металлов под напряжением и методы защиты” (Львів, 1989 р.), на IV Республіканській науково-технічній конференції “Повышение надежности и долговечности машин и сооружений” (Одеса, 1991 р.), на Першій Міжнародній конференції “Конструкційні та функціональні матеріали. КФМ'93” (Львів, 1993 р.), на міжнародній конференції - виставці “Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів - Корозія-94” (Львів, 1994 р.), на Міжнародних конференціях “Нові конструкційні сталі і сплави та методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (Запоріжжя, 1995, 1998 рр.), на 4-му Міжнародному симпозіумі “Вакуумные технологии и оборудование” (Харків, 2001 р.)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано: 8 статей у наукових журналах, 2 статті в збірниках наукових праць, 3 - в матеріалах міжнародних і республіканських конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків. Повний обсяг дисертації 160 сторінок, включно з 57 рисунками, 35 таблицями, 1 додатком та списком використаних літературних джерел із 200 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі стисло окреслені проблеми, які пов'язані з термічною обробкою титанових сплавів у РГС, обґрунтована актуальність вибраної теми. Сформульована мета роботи, викладені наукова новизна та практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі здійснено аналіз літературних даних щодо зміни структури і властивостей поверхневого шару металу внаслідок сублімації його окремих складових й фазоутворення на поверхні та газонасичення титанових сплавів у РГС. Зроблено висновок, що зусилля дослідників в основному спрямовані на вивчення механізмів взаємодії на початкових стадіях при високих розрідженнях середовища (p < 0,13 мПа) або за умов термообробки в середньому вакуумі (p > 13,3 мПа). Вплив розріджень у діапазоні 0,13…13,3 мПа вивчений недостатньо, хоча з розвитком вакуумної техніки зацікавленість у таких дослідженнях зростає. дані про роль таких факторів як кристалографічна текстура, напруження, циклічна зміна температури є обмежені.

Існуючі розрахункові моделі взаємодії титанових сплавів із газовими середовищами створені для опису процесів дифузії елементів втілення через плівку фази у матрицю за умови постійної концентрації дифузанту на границі “фаза - метал”. Не існує моделей, які описують газонасичення титанових сплавів за відсутності плівки сполуки на поверхні та за умови зміни поверхневої концентрації дифузанту в часі. Відсутні розрахункові моделі, що пов'язують рівень насичення домішкою втілення поверхневого шару титанових сплавів із температурно-часовими та газодинамічними параметрами ВВТО з одночасною сублімацією легувального елементу.

Відтак, встановлення закономірностей зміни структури та властивостей поверхневого шару металу в результаті газонасичення титанових сплавів та сублімації їх складових під час високотемпературної взаємодії з РГС є актуальним для оптимізації режимів ВВТО. Накопичення експериментальних даних та їх аналіз дозволять удосконалити фізико-математичну модель цих процесів з урахуванням дії зовнішніх та внутрішніх факторів і розробити розрахункову модель для оптимізації режимів ВВТО.

У другому розділі наведені дані про досліджувані промислові титанові сплави (ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ПТ-7М, ОТ4-1, ПТ3В, ВТ6С), застосовані зразки для кінетичних, металографічних, фізичних та механічних досліджень, методи їх термообробки. Описано використані методики оптичного та електронного металографічного, дюрометричного, неперервного та дискретного термогравіметричного, рентгеноструктурного та рентгенофазового, мікрорентгеноспектрального аналізів та механічних випробувань, метод статистичної обробки експериментальних даних. Вказано, що використані методики відповідають сучасним вимогам до наукових досліджень, достатньо інформативні та у поєднанні з методами статистичної обробки експериментальних даних дозволяють забезпечити високий рівень достовірності отриманих результатів.

У третьому розділі на основі аналізу зміни ізобарно-ізотермічних потенціалів реакцій утворення хімічних сполук між газами та легувальними елементами титанових сплавів встановлено, що ймовірність взаємодії з киснем (розчинення в титані та утворення оксидів) найвища порівняно з іншими газами залишкової атмосфери. за тиском насиченої пари чистих елементів та їх оксидів, тиском дисоціації оксидів здійснений термодинамічний аналіз процесів, що можуть реалізовуватися у високому вакуумі при температурах 923…1273 К. Передбачається, що у вакуумі P < 1,33 мПа при температурі T > 1023 К можлива сублімація Mn, Sn та Al у чистому вигляді та Mn, Mo, V та Sn - за рахунок утворення сполук із киснем (MnO₂; MoO₂; V_xO; SnO). Підвищення температури або зниження тиску залишкових газів середовища інтенсифікуватиме сублімацію. Підвищення тиску газів, а відтак і парціального тиску хімічно активних складових (O₂, N₂, CO₂, H₂O), посилить розчинення кисню та азоту в титані та утворення хімічних сполук. Для титанових сплавів за законом Рауля визначені тиски насиченої пари легувальних елементів. Встановлено, що, не зважаючи на пониження тиску насиченої пари елементів у твердих розчинах, для досліджуваних систем ймовірне збіднення поверхневого шару металу легувальними елементами за рахунок сублімації Al та Mn у чистому вигляді та сублімації оксидів марганцю, олова, молібдену та ванадію.

У четвертому розділі досліджено кінетику зміни маси промислових титанових сплавів різних структурних класів та систем легування у діапазоні температур 923…1273 К та тиску РГС 0,133…13,3 мПа. Виявлена можливість реалізації трьох типів взаємодії: 1) переважаюче газонасичення; 2) газонасичення з утворенням летючих оксидів та їх наступною сублімацією, 3) переважаюча сублімація.

перший тип взаємодії характерний для технічного титану ВТ1-0 та сплавів ВТ5, ПТ-7М легованих елементами з великою спорідненістю до кисню та високою розчинністю у _титані (Al, Zr). Для цих сплавів спостерігається найбільший приріст маси.

Другий тип взаємодії притаманний сплавам ВТ5-1, ПТ3В, ВТ6С, легованим елементами менш спорідненими до кисню та з високим тиском насиченої пари їх оксидів (V_xO; SnO). Такий тип взаємодії зумовлює менший приріст маси сплавів ніж у попередньому випадку. При високих температурах (>1123 K) залежність приросту маси у часі має перегин, який пов'язаний з інтенсифікацією сублімації оксидів легувальних елементів після попереднього накопичення кисню в матриці. Точка перегину відповідає співмірності швидкостей газонасичення та сублімації, а тривалість періоду накопичення прямо пропорційна температурі та обернено пропорційна тиску кисню в газовому середовищі.

Третій тип взаємодії характерний для сплавів ОТ4 та ОТ4-1, легованих елементом із високим тиском насиченої пари - Mn.

В залежності від температури та тиску газового середовища можливий перехід від одного типу взаємодії до іншого. Найбільш яскраво це проявляється на сплавах легованих Mn, які при нижчих температурах та вищому тиску взаємодіють за першим типом, а зі збільшенням температури та розрідження - за третім.

За результатами неперервних термогравіметричних досліджень для більшості сплавів швидкість поглинання газу з РГС (P = 0,133…13,3 мПа) контролюється фазово-граничними реакціями на межі “метал - газ”, про що свідчить лінійний закон зміни маси у часі, який протягом 8-ми годин в ізобарних умовах задовільно описується залежністю:

m/S = (k^P ± A), [г/дм²], k^P (T) = B exp (-E_екс /RT) C, [гм^-2год^-1] (1)

де k^p- коефіцієнт швидкості газонасичення при постійному тиску, г·м²·год^-1; B _ стала, яка не залежить від температури, г·м²·год^-1; E_екс - енергія активації газонасичення, Дж·моль^-1; A, C - довірчі інтервали з імовірністю 0,98.

Як приклад, в таблиці 1 наведені обраховані за експериментальними даними значення кінетичних параметрів газонасичення різних сплавів.

Таблиця 1. Кінетичні параметри газонасичення титанових сплавів в ізобарних умовах

Сплав	T,	При p = 1,33 мПа
	K	kP, гм-2год-1	A, гм-2	B, гм-2год-1	Eекс, Джмоль-1	C, гм-2год-1
	923	3,13	2,67
ВТ1-0	1123	21,16	6,53	18 305	65 807	4,66
	1273	30,38	18,21
	923	-2,14	2,59
ВТ5-1	1123	11,45	9,96	358,3	37 695	3,91
	1273	6,93	14,10
	923	2,97	0,31
ПТ-7М	1123	8,88	0,74	9 547,3	62 718	3,19
	1273	24,76	2,05
	923	4,78	0,55
ПТ-3В	1123	9,35	2,82	686,7	38 572	1,53
	1273	20,00	0,38
	923	0,44	0,1
ВТ6С	1123	2,82	1,87	80 325,3	93 743	1,07
	1273	13,18	10,10
	923	-2,96	1,2
ОТ4-1	1123	-11,72	4,41	-68 039,2	77 948	6,34
	1273	-53,15	46,87

Результатом дифузійного насичення металу газами з РГС (переважно киснем) є газонасичені шари з підвищеною порівняно із серцевиною твердістю, з різним її градієнтом та розміром зміцненої зони, що визначається фазовим складом сплаву, тиском та температурою середовища.

наслідком сублімації є розвиток мікрорельєфу поверхні, збіднення поверхневого шару легувальними елементами та пов'язані з цим фазово-структурні зміни. Мікрорельєф проявляється розтравлюванням міжзеренних границь, появою на поверхні зерен сходинок, терас та ямок сублімації. Характерно, що поряд із сильно розтравленими спостерігаються зерна з незначним рельєфом, що можна пов'язати з їх кристалографічним орієнтуванням. На розтравлених зернах із часом утворюються зародки оксидної фази, щільність розташування яких зростає зі збільшенням тиску залишкових газів. Проте після ВВТО з параметрами T 1123 К, 0,13 P 13,3 мПа, t 8 год, значних змін у структурі поверхневого шару та в розподілі легувальних елементів для більшості сплавів не спостерігається, лише для сплаву ОТ4_1 сублімація Mn та газонасичення киснем змінюють структуру поверхневого шару: спостерігається ріст збагачених киснем -зерен, утворення збідненої Mn поверхневої зони. Формується менший, порівняно з іншими сплавами, зміцнений шар, як наслідок одночасного розміцнення матриці від збіднення марганцем та зміцнення домішками втілення.

У ( +)-титановому сплаві ВТ6С формується газонасичений шар з меншим градієнтом твердості та більшого розміру, порівняно з -сплавами, при значному розтравлюванні поверхні, що пов'язано з його хімічним та фазовим складом. більша кількість -фази в сплаві зумовлює глибше проникнення домішок втілення за рахунок більшого на 2 порядки, ніж для -фази, коефіцієнту дифузії, а присутність елементів (V, Mo) з високим тиском насиченої пари оксидів - пришвидшує сублімацію, що пошкоджує поверхню.

Підвищення температури до 1273 К (вище температури перетворення для усіх досліджуваних сплавів) спричинює кількісні зміни у кінетиці взаємодії сплавів ВТ1_0, ВТ5, ВТ5_1, ПТ_7М, ПТ_3В, ВТ6С та ОТ4_1 з РГС внаслідок інтенсифікації як газонасичення, так і сублімації. Перевищення температури поліморфного перетворення зумовлює зміну фазового складу сплавів і протягом 8 год витримки за однакового тиску утворюються на порядок більші газонасичені та збіднені легувальними елементами шари ніж за умов існування _фази. Так, для тонких зразків (b < 3 мм) характерне наскрізне газонасичення і збіднення марганцем усього об'єму.

Інтенсивність більшості процесів, що відбуваються на поверхні металу (сублімація, поверхнева дифузія, зародкоутворення оксидної фази та ін.) залежить від кристалографічної орієнтації зерен. Анізотропію властивостей, що пов'язана з переважаючим кристалографічним орієнтуванням (текстурою), широко використовують у промисловості для досягнення регламентованих показників міцності та пластичності металу. Тому проаналізовано вплив текстури титанових сплавів на згадані процеси. Вивчали титанові сплави ВТ1-0 та ОТ4_1: ВТ1-0 із “базисною” (0001)[] текстурою - фракція орієнтувань 44 та 62%, “подвійною базисною” текстурою (0001) 30_35є НН_ПН [] - фракція орієнтувань 67% та “призматичною” ()[] текстурою - фракція орієнтувань 50%, та ОТ4-1 з “базисною” - фракція орієнтувань 52% та “призматичною” текстурою - фракція орієнтувань 54%. Встановлено, що вихідна кристалографічна текстура титанових сплавів (ВТ1_0, ОТ4-1) впливає на інтенсивність високотемпературної взаємодії з кисневмісними середовищами, особливо на її початкові стадії, за рахунок зміни умов масообміну на межі “метал - газ” та дифузійної рухливості домішок втілення. За однакових умов насичення на поверхні зразків із “базисною” текстурою в 1,3…1,5 рази пришвидшені зародкоутворення, формування та ріст оксидної плівки, а розмір газонасиченої зони в 1,2…1,3 рази менший, ніж для зразків із “призматичною” текстурою. Однак, на поверхні останніх швидше протікають сублімація та розвиток рельєфу. Збільшення досконалості кристалографічної текстури (збільшення фракції орієнтувань даного типу) підсилює її вплив на процеси взаємодії.

Під час термообробки вироби часто знаходяться під дією внутрішніх напружень (викликаних попередньою обробкою) або зовнішніх навантажень (заневолення, термоправка). Тому вивчали вплив деформування, яке викликане зовнішнім навантаженням, на інтенсивність досліджуваних процесів за наступних умов: температура T = 1023 K, тиск залишкових газів P = 1,33 мПа, тривалість 10 год. Встановлено, що зовнішнє навантаження прискорює дифузійні процеси (газонасичення, оксидоутворення та сублімацію). Пропорційно напруженню збільшується розмір газонасиченої зони, інтенсифікується сублімація та посилюється рельєфоутворення на поверхні металу. Так, для сплаву ОТ4-1 за дії навантаження 7,3 МПа збіднена Mn зона збільшується в 2 рази.

У випадку застосування РГС як середовища хіміко-термічної обробки титанових сплавів, на відміну від звичайної ВВТО, постає питання інтенсифікації процесів газонасичення. Факторами, що інтенсифікують взаємодію титанових сплавів з РГС, є температура, тиск і час. Однак це можна зробити й іншими способами, одним із яких є циклічна зміна температури (термоциклування). Вивчали вплив термоциклування на газонасичення титанових сплавів у вакуумі 1,33 Па. Для усіх досліджуваних сплавів (ВТ1-0, ВТ5-1, ОТ4-1, ВТ6С) показано, що в області існування _фази титану циклічна зміна температури з розмахом 100 К пришвидшує дифузійні процеси, сприяє формуванню газонасиченого шару більшого розміру з вищим (до 3 разів) приростом поверхневої твердості порівняно з ізотермічними умовами, що пояснюється збільшенням дефектності металу за умов термоциклування. Рекомендовано використовувати термоциклування в області існування _фази титану для інтенсифікації вакуумного оксидування титанових сплавів.

Оцінено вплив параметрів газонасиченого шару (відносного приросту поверхневої твердості - H, розміру зміцненої зони - l) на механічні характеристики титанових сплавів. Встановлено, що вплив твердорозчинного зміцнення поверхневого шару в результаті ВВТО на міцнісні властивості та пластичність титанових сплавів незначний. Довговічність при випробуваннях малоцикловим чистим згином чутлива до градієнту твердості в поверхневому шарі, тобто до відносного приросту поверхневої твердості (H) та розміру зміцненої зони (l) (табл. 2). Тому встановлена залежність довговічності від параметру H і показано, що вона змінюється немонотонно зі збільшенням значення цього параметра та залежить від структурного класу сплаву. Ці залежності мають перегин в точці максимуму, який для _сплавів відповідає значенню параметра H = 0,6; для псевдо-- сплавів - 0,3; для +- сплавів - 0,2.

Таблиця 2. Міцнісні та втомні характеристики б-титанового сплаву ВТ1-0 в залежності від параметрів газонасиченого шару

		H	l	в		N10-3 циклів до руйнування при a, %
ГПа		мкм	МПа	%	0,9	1,2	1,5
1,588	1,568	0	0	328 ± 16	40,5 ± 1,5	10,88 ± 2,27	4,10 ± 0,34	1,68 ± 0,25
1,823	1,519	0,20	45	328 ± 16	41,0 ± 1,8	12,200 ± 0,99	4,60 ± 0,86	1,88 ± 0,16
1,891	1,539	0,23	80	333 ± 17	40,5 ± 1,2	11,900 ± 0,95	4,48 ± 0,84	1,79 ± 0,15
1,960	1,588	0,25	20	328 ± 16	41,0 ± 1,5	12,78 ± 1,07	4,65 ± 0,87	1,98 ± 0,17
2,176	1,529	0,42	50	338 ± 17	40,5 ± 1,3	11,920 ± 0,84	4,50 ± 0,84	1,86 ± 0,16
2,352	1,568	0,50	85	338 ± 17	39,5 ± 1,7	11,350 ± 1,11	4,20 ± 0,79	1,72 ± 0,15
2,381	1,568	0,52	20	333 ± 17	40,5 ± 1,5	13,30 ± 0,94	5,00 ± 0,94	2,00 ± 0,17
2,793	1,548	0,80	45	338 ± 17	40,5 ± 1,0	10,060 ± 0,99	3,80 ± 0,71	1,55 ± 0,13
2,871	1,548	0,86	80	343 ± 17	39,0 ± 1,9	7,160 ± 0,60	2,66 ± 0,50	1,12 ± 0,10
3,107	1,548	0,98	20	333 ± 17	40,0 ± 1,3	11,210 ± 1,02	4,18 ± 0,78	1,70 ± 0,15

- твердість поверхні металу; - твердість його серцевини; .

За такої оцінки впливу газонасиченого шару металу на механічні характеристики титанових сплавів необхідне прогнозування його параметрів.

В п'ятому розділі удосконалено фізико-математичну модель газонасичення титанових сплавів у РГС. Запропоновано розглядати поверхневу концентрацію дифузанту як функцію температури, тиску та часу, що враховується коефіцієнтом швидкості фазово-граничної реакції (). Насичення металу киснем (концентрацію C(x, t)) обраховуємо за другим законом Фіка, виходячи з наступної граничної умови:

(2)

де = f (T, P) - коефіцієнт швидкості фазово-граничної реакції, см/с; C₀ - гранична концентрація кисню в металі, ат. %; t - час, с. Ці граничні умови описують масообмін на проміжку часу до формування певної товщини оксиду, який уже може суттєво впливати на швидкість процесу.

Відомим розв'язком сформульованої дифузійної задачі є

, де h = /D. (3)

Зміна маси зразка (на одиницю площі його поверхні) M(t) у часі при насиченні киснем на основі формули (3) представляється наступним чином:

. (4)

За експериментальними даними про зміну маси зразками -титанових сплавів та формулою (4) обраховані значення коефіцієнта , які відмінні для різних сплавів, але для зручності можна користуватися середнім значенням та його залежністю від тиску та температури для -титанових сплавів.

Таблиця 3. Залежність коефіцієнта швидкості фазово-граничної реакції для б-титанових сплавів від тиску газів при температурі 1123 К

Сплав	Коефіцієнт 010 8 [см/с] при тиску залишкових газів, мПа
	0,133	1,33	13,3
ВТ1-0	3,65±0,17	8,80±0,52	14,48±0,72
ВТ5	3,36±0,17	8,61±0,56	14,57±0,77
ВТ5-1	3,07±0,21	7,85±0,59	13,23±0,82
ПТ-7М	2,91±0,23	7,43±0,70	12,51±0,86
Середнє значення	3,24±0,56	8,17±0,72	13,69±1,18

Залежність середнього значення коефіцієнта ₀ для -титанових сплавів від тиску газів та температури в діапазоні 1,3310^_4…1,3310^_2 Па та 923…1123 К описується виразом:

[см/с] (5)

де T - температура, К; P - тиск РГС, Па; E = 126390 Дж/моль - середня енергія активації фазово-граничної реакції. Коефіцієнт достатньо стабільний на базі 8 год, що підкреслює можливість його застосування.

За визначеним коефіцієнтом ₀ та формулою (3) можна розрахувати розподіл домішки втілення по перерізу -титанових сплавів.

Співставивши розрахований розподіл кисню з експериментальними змінами твердості по перерізу зразків, встановлено кореляційну залежність для подальшого обрахунку твердості газонасиченого шару:

, [ГПа] (6)

де H (x, t) - розподіл твердості по перерізу, ГПа; K - коефіцієнт кореляції між розрахунковою концентрацією домішки втілення та твердістю поверхневого шару _титанових сплавів, який в середньому складає 0,2 ГПа/ ат. %, H₀ - твердість серцевини, ГПа.

Оскільки текстура, деформація, циклічна зміна температури впливають на інтенсивність дифузійних процесів на поверхні та в об'ємі металу, тому для опису впливу цих факторів у рамках моделі пропонується розглядати коефіцієнти та D у вигляді: = ₀ + = ₀·N; D = D₀ + D = D₀·N₁, де ₀, D₀ - залежать від температури та тиску, , D - враховують вплив текстури, напруженого стану, циклічної зміни температури і можуть приймати від'ємні значення.

З урахуванням впливу текстури чи напружень формулу (3) можна записати у вигляді:

(7)

Таким чином, визначивши коефіцієнт за формулою (5) та врахувавши при потребі текстурний фактор та дію можливих напружень за формулою (7) можна обрахувати розподіл концентрації кисню у поверхневій зоні металу при різному тиску РГС та температурі. А знаючи кореляцію між твердістю поверхневого шару та концентрацією кисню, визначаємо товщину шару з підвищеною твердістю для різних режимів ВВТО -титанових сплавів. Аналітичні дані про газонасичення у високому вакуумі добре узгоджуються з експериментальними, що дозволяє застосувати цей підхід для оцінки параметрів газонасиченого шару -титанових сплавів.

На основі розрахунку розподілу концентрації домішки втілення у поверхневому шарі металу та встановленої кореляції між останньою й твердістю _титанових сплавів та враховуючи допускний рівень поверхневого зміцнення (параметр H) запропоновано методику вибору оптимальних параметрів ВВТО, за рівнем твердорозчинного зміцнення поверхневого шару. У промисловості прийнято, що для титанових сплавів параметр H не повинен перевищувати значення 0,25. За такої умови побудовані номограми для вибору оптимальних параметрів ВВТО (температура, тиск) із різною тривалістю. приклад номограми для сплаву ВТ5-1 наведений на рис. 6. Цю методику також можна застосувати для корекції існуючих режимів за тривалістю, температурою і тиском розрідженого середовища та для експертної оцінки наслідків ВВТО.

Для прогнозування зони, збідненої легувальним елементом та збагаченої газовою домішкою в результаті взаємозалежних явищ сублімації та газонасичення, за вихідну математичну модель прийняли систему диференційних рівнянь двохкомпонентної дифузії:

титановий сплав термічна обробка

, (8)

при граничних умовах

(9)

де С_i - концентрація дифундуючого i-го елемента; D_iб - коефіцієнти дифузії; I_i - дифузійний потік i-го елемента; H_iб - коефіцієнти, що визначають швидкість фазово-граничних реакцій; C_i^c - граничне значення концентрації.

На основі розв'язків дифузійної задачі (8), (9) вдалося адекватно експериментальним даним (рис. 3 а) описати перерозподіл легувального елементу за умов сублімації та одночасного насичення домішкою (рис. 7, кр. 2).

Коли на ці процеси накладається ще й термоциклування або напруження, приймаємо наступну систему рівнянь:

, (10)

де C_i - концентрація i-го дифузанту; D_ik () - коефіцієнт дифузії як функція рівня пошкоджень ; () - коефіцієнт швидкості накопичення пошкоджень залежно від умов нестаціонарності.

Порівняння отриманих експериментальних та теоретичних результатів підтверджує правомірність використання такого підходу для прогнозування розміру збідненої легувальною домішкою зони після ВВТО титанових сплавів системи Ti-Al-Mn.

Висновки

У дисертації здійснене теоретичне узагальнення експериментальних результатів й удосконалено підхід до фізико-математичного опису дифузійного газонасичення титанових сплавів у середовищі високого вакууму, вирішена задача оптимізації параметрів високовакуумної термообробки титанових сплавів.

1. Встановлено кінетичні залежності газонасичення - та псевдо--титанових сплавів та сублімації їх складових у діапазоні температур (923…1273 К) та тиску розрідженого газового середовища (0,133…13,3 мПа). Показано, що за цих умов реалізуються три типи взаємодії: 1) переважаюче газонасичення (ВТ1-0, ВТ5, ПТ_7М); 2) газонасичення з утворенням летючих оксидів та їх наступною сублімацією (ВТ5-1, ПТ3В, ВТ6С); 3) переважаюча сублімація (ОТ4-1). Інтенсивність сублімації прямо пропорційна температурі та зворотно пропорційна тиску газового середовища, а інтенсивність газонасичення -- прямо пропорційна температурі та тиску.

2. Підтверджено, що у високому вакуумі в результаті сублімації та газонасичення відбуваються фазово-структурні зміни в поверхневому шарі титанових сплавів. Якісний та кількісний характер цих змін залежить від типу та інтенсивності взаємодії, які у свою чергу визначаються хімічним та фазовим складом титанового сплаву. Так, у результаті взаємодії за 2 та 3 типами через сублімацію легувального елемента (-стабілізатора) та насичення домішкою втілення (-стабілізатором) в поверхневому шарі відбувається ріст зерен -фази титану стабілізованих цією домішкою. За всіх типів взаємодії спостерігається дифузійне насичення поверхневого шару металу домішками втілення, що збільшує їх твердість, а градієнт твердості залежить від фазового складу сплаву.

3. Встановлено, що вихідна кристалографічна текстура титанових сплавів (ВТ10, ОТ41) впливає на інтенсивність високотемпературної взаємодії з розрідженими кисневмісними газовими середовищами, особливо на її початкові стадії, за рахунок зміни умов масообміну на межі “метал - газ” та коефіцієнту дифузії домішок втілення. За однакових умов насичення, на поверхні зразків із “базисною” текстурою зародкоутворення, формування та ріст оксидної плівки пришвидшені, а відвід елементів втілення загальмований порівняно із зразками з “призматичною” текстурою. Однак, на поверхні останніх швидше протікають сублімація та рельєфоутворення. Збільшення досконалості кристалографічної текстури (збільшення фракції орієнтувань даного типу) підсилює її вплив на процеси взаємодії.

4. Оцінено вплив термоциклування та напружень на приріст поверхневої твердості (H) та розмір газонасиченого шару (l) на титанових сплавах у кисневмісному газовому середовищі. Показано, що ці чинники, не змінюючи типу взаємодії, суттєво впливають на її інтенсивність. Так циклічна зміна температури з розмахом 100 К в області існування _фази титану сприяє формуванню газонасиченого шару, більшого в 1,3…1,5 рази розміру з вищою до 3 раз поверхневою твердістю, ніж за ізотермічних умов. Пропорційно деформації збільшується розмір газонасиченої зони та посилюється рельєфоутворення на поверхні металу.

5. Удосконалено методологію прогнозування рівня твердорозчинного зміцнення поверхневого шару -титанових сплавів під час високовакуумної термообробки. Для чого в рамках удосконаленої фізико-математичної моделі високотемпературної взаємодії титанових сплавів із розрідженим газовим середовищем запропоновано роль фазово-граничної реакції враховувати відповідним коефіцієнтом , який залежить від тиску, температури та фазового складу сплаву. Це дає можливість обчислювати розподіл домішки втілення у поверхневих шарах металу з урахуванням вищезгаданих факторів. Враховано взаємний вплив насичуючого та сублімуючого елементів на кінетику дифузійних процесів, що дозволяє адекватно описати їх роль у формуванні фізико-механічних властивостей титанових сплавів.

6. Розроблено методику вибору оптимальних газодинамічних та температурно-часових параметрів високовакуумної термообробки (T = 923…1123 K, t = 1…8 год, P = 0,133…13,3 мПа, I_н = 0,8…4 мПас^_1) для - та псевдо--титанових сплавів за регламентованим рівнем твердорозчинного зміцнення поверхневого шару металу.

Список опублікованих праць

Максимович Г. Г., Федирко В. Н., Лукьяненко А. Г. Кинетика процессов газонасыщения и сублимации титановых сплавов в вакууме при температурах 1123 и 1273 К. // Физ._хим. механика материалов, 1985. - т. 21, №1. - С. 36_39.

Влияние остаточных газов вакуумной атмосферы на кинетику газонасыщения сплавов титана./ Г. Г. Максимович, В. Н. Федирко, А. Г. Лукьяненко, В. С. Павлина // Физ._хим. механика материалов, 1987. - т. 23, №2. - С. 102_106.

Моделювання процесів високотемпературної корозії титанових сплавів у вакуумі / Г. Г. Максимович, В. М. Федірко, В. С. Павлина, А. Т. Пічугін, О. Г. Лук'яненко // Физ._хим. механика материалов, 1990. - т. 26, № 6. - С. 29-34.

Федірко В. М., Пічугін А. Т., Лук'яненко О. Г. Вплив текстури деформації на високотемпературну взаємодію титану з розрідженими газами // Фіз._хім. механіка матеріалів, 1996. - т. 32, № 5. - С. 28-36.

Оцінка експлуатаційної придатності виробів з титанових сплавів різних структурних класів з газонасиченими шарами / В. М. Федірко, А. Т. Пічугін, О. Г. Лук'яненко, З. О. Сірик // Фіз._хім. механіка матеріалів, 1996. - т. 32, № 6. - С. 49-54.

Вплив термоциклування на високотемпературну взаємодію титану з газами / О. Г. Лук'яненко, В. С. Павлина, А. Т. Пічугін, В. М. Федірко // Фіз. - хім. механіка матеріалів, 1997. - т. 33, № 6. - С. 7-14.

Формування функціональних шарів на титанових сплавах за нестаціонарних умов / Павлина В. С., Лук'яненко О. Г., Пічугін А. Т., Федірко В. М. // Фіз. - хім. механіка матеріалів, 2000. - 36, № 2. - С. 65-75.

Федирко В. Н., Пичугин А. Т., Лукьяненко А. Г. Физико-химические аспекты термической обработки титановых сплавов в контролируемых газовых средах // Технологические системы, 2000.- № 1(3). - С. 48_51.

Вплив кристалографічної текстури на взаємодію титанових сплавів з кисень -, азотовміщуючими середовищами / В. М. Федірко, І. М. Погрелюк, А. Т. Пічугін, О. Г. Лук'яненко // Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів - Корозія-94: Матеріали міжнародної конф._виставки (м. Львів, 3_7 жовтня 1994 р.). - Львів: Фізико-механічний і-нт ім. Г. В. Карпенка НАН України, 1994. - C. 34.

Пічугін А. Т., Лук'яненко О. Г. Розробка критеріїв та відновлення працездатності виробів з титанових сплавів з газонасиченими шарами // Нові конструкційні сталі і сплави та методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Мат. VI Міжнародної конф. (м. Запоріжжя, 27-29 вересня 1995 р.). - Част. 2. - Запоріжжя: ЗДТУ, 1995. - C. 59-60.

Федірко В. М., Пічугін А. Т., Лук'яненко О. Г. Фізико-хімічні основи термічної обробки титанових сплавів в контрольованих газових середовищах // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Збірник наукових праць ЗДТУ (м. Запоріжжя, 29 вересня - 1 жовтня 1998 р.). - Запоріжжя: ЗДТУ, 1998. - С. 159_160.

Лукьяненко А. Г., Павлина В. С., Пичугин А. Т. Диффузионное растворение оксидных пленок на титане при термоциклировании в вакууме // Вопросы атомной науки и техники, 1998, вып. 6_7, 7_8.- С. 178-181.

Лук'яненко О. Г., Пічугін А. Т., Федірко В. М. Газонасичення та сублімація титанових сплавів у вакуумі. // Вакуумные технологии и оборудование: Сборник докладов 4-го Международного симпозиума “Вакуумные технологии и оборудование” (г. Харьков, 23-27 апреля 2001 г.). - Харьков: ИПЦ “Контраст”, 2001. - С. 28-32.

Пічугін А. Т., Лук'яненко О. Г. Поверхнева обробка, як метод підвищення експлуатаційних властивостей титанових сплавів після технологічних нагрівів // Конструкційні та функціональні матеріали. КФМ'93. Теорія, експеримент, взаємодія: Перша Міжнародна конференція (м. Львів, 20_23 вересня, 1993 р.): Тези доповідей. - Львів: Фізико-механічний і-нт ім. Г. В. Карпенка НАН України, 1993. - C. 119-120.

Анотація

Лук'яненко О.Г. Закономірності термодифузійних процесів у високому вакуумі та їх вплив на структуру і властивості поверхневих шарів титанових сплавів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 -- матеріалознавство. - Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАНУ, Львів, 2001.

Вивчено кінетику взаємодії промислових титанових сплавів різних структурних класів (, псевдо-, +) з газовим середовищем в діапазоні температур 923…1273 К та тиску 0,133…13,3 мПа. Виявлено три типи взаємодії: переважаюче газонасичення (характерне для сплавів ВТ1-0, ВТ5, ПТ-7М); газонасичення з утворенням летючих оксидів та їх наступною сублімацією (ВТ5-1, ПТ_3В, ВТ6С); переважаюча сублімація (ОТ4_1). Визначено кінетичні параметри: коефіцієнти швидкості та енергії активації газонасичення. Підтверджено, що у високому вакуумі в результаті сублімації та газонасичення відбуваються фазово-структурні зміни у поверхневому шарі металу: утворюється мікрорельєф на поверхні, змінюється хімічний склад та твердість поверхневого шару через сублімацію легувального елементу та дифузійне насичення домішками втілення. Тип мікрорельєфу та градієнт твердості залежать від фазового та хімічного складу титанового сплаву. Показано, що напруження, циклічна зміна температури та “призматична” текстура прискорюють дифузійні процеси. Удосконалено фізико-математичну модель високотемпературної взаємодії титанових сплавів із газами, визначені коефіцієнти швидкості фазово-граничної реакції та їх залежність від тиску, температури, текстури металу, напружень, що дає можливість прогнозувати розподіл домішки втілення у поверхневому шарі -титанових сплавів у результаті високовакуумної термообробки.

Ключові слова: титанові сплави, фазово-структурний стан, розріджене газове середовище, кінетика, вакуумна термічна обробка, поверхневий шар, газонасичення, сублімація, фізико-математична модель, фазово-гранична реакція.

Аннотация

Лукьяненко А.Г. Закономерности термодиффузионных процессов в высоком вакууме и их влияние на структуру и свойства поверхностных слоев титановых сплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко Национальной академии наук Украины, Львов, 2001.

В диссертации осуществлено теоретическое обобщение экспериментальных результатов и усовершенствован подход к физико-математическому описанию диффузионного насыщения (газонасыщения) поверхностного слоя титановых сплавов в среде высокого вакуума, решена задача оптимизации параметров высоковакуумной термической обработки титановых сплавов.

Установлена кинетика газонасыщения титановых сплавов разных структурных классов (, псевдо-, +) и сублимации их составляющих в диапазоне температур 923…1273К и давления газовой среды 0,133…13,3 мПа. Выявлена возможность реализации трех типов взаимодействия: 1) преобладающее газонасыщение (характерно для сплавов ВТ1-0, ВТ5, ПТ_7М); 2) газонасыщение с образованием летучих оксидов и последующей их сублимацией (ВТ5-1, ПТ_3В, ВТ6С); 3) преобладающая сублимация (ОТ4_1). Определены кинетические параметры взаимодействия: коэффициенты скорости и энергии активации газонасыщения. Интенсивность сублимации прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению газовой среды, а интенсивность газонасыщения -- прямо пропорциональна температуре и давлению.

Подтверждено, что в высоком вакууме в результате сублимации и газонасыщения образуется микрорельеф на поверхности и происходят фазово-структурные изменения в поверхностном слое титановых сплавов. Качественный и количественный характер этих изменений зависит от типа и интенсивности взаимодействия, которые, в свою очередь, определяются фазовым и химическим составом титанового сплава. Так в результате взаимодействия по второму и третьему типам при сублимации легирующего элемента (_стабилизатора) и насыщения примесью внедрения (-стабилизатором) в поверхностном слое происходит рост зёрен _фазы титана, стабилизированной этой примесью. При всех типах взаимодействия наблюдается диффузионное насыщение поверхностного слоя металла примесью внедрения, что увеличивает его твердость, а градиент твердости зависит от фазового состава сплава.

Показано, что исходная кристаллографическая текстура титановых сплавов (ВТ10, ОТ41) влияет на интенсивность высокотемпературного взаимодействия с разреженными кислородосодержащими газовыми средами, в особенности на его начальные стадии, за счет изменения условий массообмена на границе “металл - газ” и диффузионной подвижности примесей внедрения. При идентичных условиях насыщения, на поверхности образцов с “базисной” текстурой зародышеобразование, формирование и рост оксидной пленки ускорены, а отвод элементов внедрения меньший, чем на образцах с “призматической” текстурой. Однако на поверхности последних быстрее проходит сублимация и развитие рельефа. Увеличение степени совершенства кристаллографической текстуры (увеличение фракции ориентацией данного типа) усиливает её влияние на процессы взаимодействия.

Показано, что деформирование металла внешней нагрузкой ускоряет газонасыщение, оксидообразование и сублимацию. Пропорционально деформации увеличивается размер газонасыщенной зоны и усиливается рельефообразование на поверхности металла. В области существования -фазы титана циклическое изменение температуры с амплитудой 100 К способствует формированию газонасыщенного слоя большего размера с более высокой поверхностной твердостью в сравнении с изотермическими условиями.

Усовершенствована физико-математическая модель высокотемпературного взаимодействия титановых сплавов с разреженной газовой средой. В рамках этой модели введен для описания кинетики и определен для -титановых сплавов коэффициент скорости фазово-граничной реакции, установлена его зависимость от давления остаточных газов среды, температуры, текстурного состояния материала, напряжений, что дает возможность рассчитать распределение примеси внедрения в поверхностном слое металла с учетом вышеупомянутых факторов. На основе расчета распределения концентрации примеси внедрения и установленной корреляции с распределением твердости в поверхностном слое металла для изученного температурно-временного и газодинамического диапазона (T = 923…1123 K, t = 1…8 ч, P = 0,133…13,3 мПа, I_н = 0,8...4 мПас^-1) предложена методика выбора оптимальных параметров высоковакуумной термообработки, обеспечивающей прогнозируемое твердорастворное упрочнение поверхностного слоя изделий из _титановых сплавов. Методика представлена в расчетном варианте и в виде номограмм, которые облегчают ее применение в инженерных расчетах.

Ключевые слова: титановые сплавы, фазово-структурное состояние, разреженная газовая среда, кинетика, вакуумная термическая обработка, поверхностный слой, газонасыщение, сублимация, физико-математическая модель, фазово-граничная реакция.

Summary

Lukyanenko A. G. thermo-diffusion processes' regularity in high vacuum and their influence on structure and properties of titanium alloys' surface layers. _ Manuscript.

Thesis for a Degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.02.01 - material science. - Karpenko Physico-Mechanical Institute of National academy of sciences of Ukraine, L'viv, 2001.

The kinetics of interaction the industrial titanium alloys of different structural classes (, pseudo-, +) with a gaseous environment at temperatures 923_1273 K and at 0,133…13,3 mPa are studied. Three types of interaction are detected: 1) prevailing gas-saturation (typifying for alloys VT1-0, VT5, PT-7M); 2) gas-saturation accompanied by volatile oxides and their further sublimation (VT5_1, PT-3V, VT6S); and 3) prevailing sublimation (OT4-1). The following kinetic parameters are defined: rate of gas saturation; activation energies. Certain structural and phase modification in near-surface layers under sublimation and gas-saturation have been confirmed to take place in a fine vacuum. A micro relief is formed on the alloy's surface; and the relief appearance depends on phase and chemical titanium alloy's composition. The diffusive saturation of metal near-surface layers by interstitial impurities change the hardness of the layers. The hardness gradient depends from structural and phase composition of the alloys. It is shown, that stresses, temperature cyclic changes and the "prismatic" texture accelerate thermal-diffusion processes on the surface and in the bulk of metal. physical-mathematical model of high-temperature interaction of titanium alloys with vacuum environment is improved. The rate coefficient of phase-boundary reaction and its dependence's on pressure, temperature, metal's texture and stresses are defined. This allows to forecast the distribution of interstitial impurities in the near-surface layers of titanium alloys after vacuum heat treatments.

...