СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 1998 года по МПК C23C14/48 

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].

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:
τ_и= (T_доп-T)²•π•ρ•c•k/4•(I•E)²,
где
T_доп - 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 - 700^oC [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 - 650^oC 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/HV_неимпл = 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 = 300^oC.

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 = 300^oC:
1 - Ar⁺ 300 эВ, 5 мА/см², 1•10¹⁹ ион/см² + N+2

300 эВ, 20 мА/см², 2•10¹⁹ ион/см²;
2 - Ar⁺ 300 эВ, 5 мА/см², 1•10¹⁹ ион/см² + N+2 30 кэВ, 10 мкА/см², 1•10¹⁷ ион/см² + N+2 300 эВ, 20 мА/см², 2•10¹⁹ ион/см²;
3 - N+2 30 кэВ, 10 мкА/см², 1•10¹⁷ ион/см² + N+2 300 эВ, 10 мА/см², 2•10¹⁹ ион/см²;
4 - N+2 300 эВ, 10 мА/см², 2•10¹⁹ ион/см² + N+2 30 кэВ, 10 мкА/см², 1•10¹⁷ ион/см²;
5 - N+2 300 эВ, 10 мА/см², 2•10¹⁹ ион/см²;
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 = 300^oC. 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/HV_неимпл = 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/HV_неимпл = 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 = 540^oC 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 (Ti_xN_y, Ti_xN_yC_z, Ti_xO_yC_zN_h), 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.

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.

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 - 600^oC в вакууме (1 - 5) • 10^-3 Па в течение 1,5 - 2 ч. 2 ил.

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.