СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2008 года по МПК C23C8/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к технологии производства титановых конструкций, и может быть использовано, например, в авиастроении для поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, изготовленных в условиях термообработки и воздействия активной газовой среды.

Известен способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, включающий отжиг в насыщающей атмосфере и последующее частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, о величине которого судят по оптимальному значению перепада микротвердости травленой поверхности по отношению к сердцевине, рассчитываемому по формуле (описание к патенту RU 2205890, МПК⁷ С22F 1/18. 2001/09/12).

Недостатками известного способа являются сложность и высокая трудоемкость используемого метода разрушающегого контроля для выявления изменений микротвердости обрабатываемой поверхности при различной глубине травления.

Задача изобретения - упрощение технологического процесса.

Технический результат от использования изобретения - снижение трудоемкости определения глубины травления.

Технический результат достигается тем, что в способе поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, включающем термообработку в активной газовой среде и последующее частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, удаляют часть газонасыщенного слоя, соответствующую удвоенной величине глубины его зоны h, обладающей повышенной хрупкостью.

Глубина зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, может быть определена из условия

где K - эмпирический коэффициент, учитывающий кинетические свойства активной газовой среды (диффузионную подвижность и растворимость активного газа в титане), мкм²/с; для азота при его парциальном давлении в смеси с аргоном K=3,5·10⁷ мкм²/с; для кислорода при его парциальном давлении в воздухе K=1,35·10¹⁴ мкм²/с, Е - энергия активации, Дж/моль: для азота Е=203000 Дж/моль; для кислорода Е=244000 Дж/моль; R - газовая постоянная, равная 8,3144 Дж/моль·К; T - температура термообработки, K; Т=1173-1273 К, τ - время термообработки, с; τ≤7200 с.

Глубина зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, может быть определена по среднему расстоянию l между трещинами, образующимися на поверхности в зоне деформации образца, - свидетеля при его разрушении изгибом.

Сущность технического решений заключается в том, что в качестве основного параметра, определяющего глубину травления, выбирается глубина h зоны газонасыщенного слоя, обладающей повышенной хрупкостью (в дальнейшем - «хрупкая зона») и являющейся причиной зарождения усталостных трещин на наружной поверхности изделий из титана и титановых сплавов, изготавливаемых в условиях термообработки и воздействия насыщающей активной газовой среды. Численное значение глубины травления, обеспечивающей высокую циклическую прочность изделиям, выбирается равным удвоенной величине названного параметра, т.е. 2h, что подтверждено экспериментальными исследованиями. При этом численное значение глубины «хрупкой зоны» h может быть определено как по расчетной формуле исходя из условий термообработки, так и простейшим методом разрушающего контроля, основанным на деформировании образца свидетеля до разрушения.

Примеры осуществления способа повышения циклической прочности теплообменника из листового титанового сплава ВТ, включающего внешнюю оболочку толщиной 0,8 мм и внутреннюю толщиной 3 мм с ребрами каналов для охлаждающей жидкости, полученных фрезированием с шагом 4 мм при толщине ребра 1 мм, изготовленного в условиях диффузионной сварки по режиму:

- нагрев до температуры сварки Т=950°С;

- удельное сварочное давление, созданное активной газовой смесью, состоящей из 10% (мас.) азота и 90% (мас.) аргона; Р=2,0 МПа;

- изотермическая выдержка, необходимая для образования сварного соединения, в течение 60 минут.

Благодаря содержанию в активной газовой смеси азота при температурах диффузионной сварки в процессе взаимодействия титана с газообразным азотом на наружной поверхности теплообменника формируется азотированный слой с хрупкой зоной, повышающей сопротивление высокотемпературной деформации титана и уменьшающей деформацию конструкции.

По примеру 1 глубину «хрупкой зоны» h определяли, используя параметры режима диффузионной сварки и принимая расчетное значение эмпирического коэффициента К, исходя из состава газовой смеси, равным 3,5·10⁷, по формуле (1). Согласно численному расчету

По вычисленному значению h азотированный слой на наружной поверхности теплообменника стравливали на глубину 2h=32 мкм.

По примеру 2 глубину «хрупкой зоны» h определяли (согласно известному способу описание SU 1183862, МКИ⁴ G01N 3/20, 27.04.84) по листовому образцу-свидетелю титанового сплава ВТ толщиной 0,8 мм, одну из поверхностей которого азотировали в процессе диффузионной сварки деталей теплообменника. Образец-свидетель по завершении процесса диффузионной сварки и охлаждения до комнатной температуры деформировали изгибом до разрушения и измеряли с помощью металлографического микроскопа среднее расстояние l между периодически расположенными трещинами, образовавшимися на азотированной поверхности. Величина составляла 655 мкм. Глубину «хрупкой зоны» h определяли по расчетной формуле h=0,24l=15,7 (мкм).

По вычисленному значению h азотированный слой на наружной поверхности теплообменника стравливали на глубину 2h=31,4 мкм.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к технологии производства титановых конструкций, и может быть использовано, например, в авиастроении. Термообработку проводят в активной газовой среде. Затем осуществляют частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, при этом удаляют часть газонасыщенного слоя, соответствующую удвоенной величине глубины его зоны h, обладающей повышенной хрупкостью. Глубину зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, определяют из условия , где K - эмпирический коэффициент, учитывающий кинетические свойства активной газовой среды, мкм²/с; Е - энергия активации; R - газовая постоянная; Т - температура термообработки в K; τ - время термообработки, с. Глубина зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, может быть определена по среднему расстоянию l между трещинами, образующимися в газонасыщенном слое при разрушении образца изгибом. Упрощают технологический процесс и получают изделия с высокой циклической прочностью. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, включающий термообработку в активной газовой среде и последующее частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, отличающийся тем, что удаляют часть газонасыщенного слоя, соответствующую удвоенной величине глубины его зоны h, обладающей повышенной хрупкостью.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубину зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, определяют из условия

где K - эмпирический коэффициент, учитывающий кинетические свойства активной газовой среды, мкм²/с;

Е - энергия активации, Дж/моль;

R - газовая постоянная, Дж/(моль·К);

Т - температура термообработки в °K;

τ - время термообработки, с.