КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 1997 года по МПК C23C4/10 C23C30/00 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и предназначено для легирования титана и его сплавов и может быть использовано при нанесении газотермических и плазменных покрытий.

Уровень техники.

Известен материал для лазерного легирования в виде порошковой обмазки, содержащий соединения бора и углерода, который обеспечивает повышение твердости поверхности до 10-12 ГПа за счет образования в поверхностном слое твердого раствора бора в металле и боридных фаз. Материал предназначен для легирования стальных поверхностей [1]
Титан и его сплавы обладают высоким комплексом физико-механических свойств, высокой коррозионной стойкостью, малым удельным весом. Однако поверхность титановых сплавов характеризуется высокой склонностью к схватыванию и интенсивному поверхностному разрушению в самых различных условиях контактного взаимодействия с поверхностью практически любого металла. Поэтому для предотвращения схватывания контактирующих поверхностей необходимо повысить твердость поверхности титана или его сплава и обеспечить такой химический состав поверхностного слоя, который предотвращал бы схватывание трущихся поверхностей. Это позволит повысить эксплуатационные характеристики рабочей поверхности титана и его сплавов.

Известен способ для лазерного карбоборирования титановых изделий, содержащий карбид бора и окислы алюминия, кремния, бора при следующем соотношении компонентов, мас.

Al₂O₃ 4 10
SiO₂ 6-14
B₂O₃ 25-35
B₄C Остальное [2]
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого материала, заключаются в содержании композиционного материала для лазерного легирования титановых сплавов карбида бора.

Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого результата, заключается в том, что насыщение кислородом твердых растворов, входящих в структуру лазерного слоя, приводит к увеличению хрупкости последнего и снижению эксплуатационных характеристик, особенно в условиях вибрационных и ударных нагрузок.

Сущность изобретения.

Изобретение направлено на решение задачи повышения износостойкости поверхностного слоя титанового сплава без существенного снижения вязких характеристик.

Технический результат достигается тем, что известный порошковый композиционный материал для лазерного легирования титана и его сплавов, содержащий карбид бора, дополнительно содержит кремний и фтористый кальций при следующем соотношении компонентов, в мас.

B₄C 37,5-50
Si 40-55
CaF₂ 2,5-10
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в том, что при насыщении поверхности титана и его сплавов кремнием и бором в структуре поверхностного слоя происходит образование дисперсной структуры, состоящей из зерен α и β твердых растворов, частиц интерметаллидов TiSi, а также карбидов и боридов титана, за счет которых достигается довольно сильное упрочнение слоя. Кроме того, в лазерном слое образуются высокодисперсные частицы карбидов титана и кремния. Фтористый кальций при лазерной обработке с материалом сплава практически не взаимодействует и остается в лазерном слое в виде высокодисперсных включений.

Указанный состав легирующей смеси производит упрочнение при лазерном легировании за счет образования пресыщенных твердых растворов, которые в процессе работы детали могут испытывать дисперсионное твердение и тем самым еще более повышать эксплуатационные свойства поверхности. Кроме того, присутствие фтористого кальция предотвращает схватывание поверхностей, а отсутствие в составе обмазки кислородсодержащих компонентов предотвращает охрупчивание твердых растворов. В отличие от других твердых смазок фтористый кальций гораздо более инертен по отношению к матрице и термически более устойчив, что позволяет использовать его в качестве твердой смазки в широком диапазоне условий нагружения.

Пример. Было изучено влияние лазерного легирования на структуру, фазовый состав и свойства титанового справа ВТЗ-1. Упрочнение поверхности проводили с помощью импульсной лазерной установки "Квант-15" при энергии импульса 4-10 Дж с перекрытием пятен 0,5 и с перекрытием дорожек 0,6-0,7. В качестве насыщающей среды использовали смесь порошков состава, мас.

1.

B₄C 37,5
Si 55
CaF₂ 7,5
2.

B₄C 50
Si 47,5
CaF₂ 2,5
3.

B₄C 50
Si 40
CaF₂ 10
На поверхность образца наносили слой толщиной 0,3-0,4 мм, состоящий из 95% порошка композиционного материала и 5% раствора канифоли на этиловом спирте.

Фазовый состав лазерного легирования изучали с помощью рентгеновского дифрактометра "Дрон-2" в монохроматизированном кобальтовом излучении. Микроструктурные исследования проводили на металлографическом микроскопе Neofot, микротвердость определяли с помощью твердомера ПМТ-3. Антифрикционные характеристики определяли на машине трения СМЦ-2 при испытаниях коррозионной среды (морская вода).

Микроструктура обработанной лазером поверхности титанового сплава состоит из двух зон: зоны легирования и зоны термического воздействия. В зоне легирования твердость достигает 7500-1500 МПа при глубине зоны 200-250 мкм. Структура в пределах зоны равномерна, без видимых дефектов.

Значения износостойкости и микрохрупкости поверхностного слоя после лазерной обработки титанового сплава ВТЗ-1 приведены в таблице.

Износостойкость обработанной лазером поверхности по сравнению с необработанным состоянием повысилась в 300-500 раз, а по сравнению с прототипом 2 3,5 раза. Микрохрупкость лазерного слоя по сравнению с прототипом снизилась с 12 балла до 4 7 балла для лазерного слоя по предложенному изобретению.

Таким образом, применение лазерной обработки поверхности титана и его сплавов с предварительным нанесением на обрабатываемую поверхность легирующего покрытия предложенного состава значительно расширяет область использования этих сплавов.

Композиционный материал для лазерного легирования титановых сплавов содержит в мас.%: 40-55 кремния, 2,5-10 фтористого кальция, 37,5-50 карбида бора. 1 табл.

Композиционный материал для лазерного легирования титановых сплавов, содержащий карбид бора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний и фтористый кальций при следующем соотношении компонентов, мас.

Кремний 40 55
Фтористый кальций 2,5 10,0
Карбид бора 37,5 50,0Д