СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ Российский патент 2009 года по МПК C23C8/24 C23C8/80 

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам упрочнения металлов азотированием, и может быть использовано при изготовлении деталей из титановых сплавов, работающих при циклических нагрузках.

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 травленной 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 разрушающего контроля для выявления изменений микротвердости обрабатываемой поверхности при различной глубине травления.

Известен способ поверхностного упрочнения титана и титановых сплавов, предусматривающий стадии высокотемпературного азотирования и последующее удаление травлением части газонасыщенного слоя, соответствующей удвоенной величине глубины его зоны h, обладающей повышенной хрупкостью (описание к заявке №2006124054).

Недостатком способа является потеря дорогостоящего металла при травлении и высокая трудоемкость.

Известен способ высокотемпературного азотирования хромоникелевых сплавов, легированных титаном, предусматривающий последовательное проведение стадий термообработки с выдержкой в активной газовой среде, содержащей азот, в течение 15 часов и в нейтральной газовой среде аргона в течение 1,5-2,5 часов при температуре 1200°С (описание к патенту RU 2148675, МПК 7 С23С 8/24, С23F 17/00, 26.06.1998).

Известный способ позволяет повысить жаростойкость и жаропрочность.

Известен способ упрочнения титановых сплавов в газовой среде, включающий высокотемпературное азотирование и восстановительный отжиг в аргоне (Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Москва, Машиностроение, 1965, с.334).

Задача изобретения - снижение энергозатрат и повышение циклической выносливости и долговечности конструкций из титановых сплавов.

Технический результат - оптимизация режимов высокотемпературного азотирования для поверхностного упрочнения титановых сплавов.

Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения титановых сплавов в газовой среде, включающем высокотемпературное азотирование и восстановительный отжиг в аргоне, азотирование проводят при температуре 700-750°С в течение 10-30 минут, а восстановительный отжиг - при температуре, превышающей температуру азотирования на 100-150°С, в течение времени τ_отж, выбираемого из условия:

где К_азот, К_р - эмпирические коэффициенты, учитывающие соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя,

мкм²/с;

Е_азот - энергия активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;

Е_р - энергия активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;

R - газовая постоянная, Дж/К·моль;

Т_азот - температура азотирования, К;

Т_отж- температура восстановительного отжига, К;

τ_азот - время азотирования, с.

Сущность технического решения заключается в том, что в процессе восстановительного отжига в поверхностном слое титана понижается концентрация азота в результате развития его диффузии в металлическую основу. Экспериментально установлено, что при проведении восстановительного отжига в течение времени, выбранного из условия (1), происходит перераспределение и снижение концентрации азота в поверхностных слоях до некоторого оптимального значения, обеспечивающего восстановление пластичности и, как следствие этого, повышение выносливости и долговечности азотированного титана.

Время проведения азотирования в течение τ_азот≤0,5 часа при температуре Т_азот≥700°С и температура проведения восстановительного отжига Т_отж≈Т_азот+(100-150)°С являются оптимальными для проведения химико-термических процессов с минимальными энергозатратами. При этом значение выбранного температурного режима азотирования является необходимым условием для проведения азотирования титановых сплавов в активной газовой среде азота.

Значения выбранного температурного режима проведения восстановительного отжига являются необходимыми условиями для возможности реализации способа. Так, после азотирования при 700°С в течение 0,5 часа в случае восстановительного отжига при Т_отж<800°С его продолжительность возрастает на порядок. Это приводит к неоправданным дополнительным энергозатратам. При Т_отж>850°С продолжительность восстановительного отжига, напротив, сокращается на порядок и более, что приводит к невозможности контроля за процессом и реализацией способа.

Пример

Апробирование способа осуществляли на образцах размером 2×5×10 мм из листового сплава ВТ6, которые после полирования и обезжиривания азотировали при температуре Т_азот=700°С=973,15 К в течение τ_азот = 0,5 часа = 30 мин = 1800 с в среде газовой смеси азота (40%) и аргона (60%) при атмосферном давлении. В качестве характеристики состояния поверхности титанового сплава использовали глубину охрупченного слоя и величину микротвердости поверхности, замеренную при нагрузке на индентор 0,2 Н.

В результате азотирования на поверхности образцов формировался охрупченный слой глубиной ≈ 1 мкм. Микротвердость при этом составляла 9-10 ГПа.

Для выбранного режима азотирования сплава ВТ6 экспериментально (по методике проведения экспериментов для определения численных значений констант скорости и энергии активации процессов роста и растворения оксидных пленок на поверхности титановых сплавов, приведенной в работе Бондарь А.В., Пешков В.В., Киреев Л.С., Шурупов В.В. Диффузионная сварка титана и его сплавов. - Воронеж: Издательство Воронежского Государственного Университета, 1998 с.29-50) установлены численные значения коэффициентов, учитывающих соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя, К_азот=3,5·10⁷ мкм²/с и К_р=6,3·10⁶ мкм²/с, а также значения энергии активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном слое, Е_азот=203000 Дж/моль и энергии активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном слое, Е_р=215000 Дж/моль.

Затем образцы отжигали при температуре Т_отж=800°С в среде аргона высшего сорта в течение времени τ_отж=45 минут.

Время проведения восстановительного отжига рассчитывали по зависимости (1):

При проведении восстановительного отжига при температуре Т_отж=850°С время выдержки согласно зависимости (1) выбирается равным соответственно τ_отж≅15 мин (882 с).

Измерение микротвердости образцов после восстановительного отжига показало, что она составляет (2,9-3,1) ГПа, т.е. значительно меньше микротвердости исходной азотированной поверхности (9-10) Гпа, и соизмерима с микротвердостью сплава ВТ6 в состоянии поставки (2,95 ГПа).

Образцы испытывали на повторно-статическое растяжение, и результаты испытаний показали, что количество циклов N до разрушения по сравнению с образцами в состоянии поставки возросло на 12-17%.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам упрочнения металлов азотированием, и может быть использовано при изготовлении деталей из титановых сплавов, работающих при циклических нагрузках. Проводят высокотемпературное азотирование при температуре 700-750°С в течение 10-30 мин. Затем осуществляют восстановительный отжиг в аргоне при температуре, превышающей температуру азотирования на 100-150°С, в течение времени τ_отж, выбираемого из условия:

,

где К_азот, К_р - эмпирические коэффициенты, учитывающие соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя, мкм²/сек;

Е_азот - энергия активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль; Е_р - энергия активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль; R - газовая постоянная, Дж/К·моль;

Т_азот - температура азотирования, К; Т_отж - температура восстановительного отжига, К;

τ_азот - время азотирования, сек. Снижают энергозатраты и повышают циклическую выносливость и долговечность конструкций из титановых сплавов.

Способ упрочнения титановых сплавов в газовой среде, включающий высокотемпературное азотирование и восстановительный отжиг в аргоне, отличающийся тем, что азотирование проводят при температуре 700-750°С в течение 30-10 мин, а восстановительный отжиг - при температуре, превышающей температуру азотирования на 100-150°С, в течение времени τ_отж, выбираемого из условия:
,
где К_азот, К_р - эмпирические коэффициенты, учитывающие соответственно скорость образования и скорость растворения нитридного газонасыщенного слоя, мкм²/с;
Е_азот - энергия активации процесса, контролирующего повышение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;
Е_р - энергия активации процесса, контролирующего понижение концентрации азота в охрупченном азотированием слое, Дж/моль;
R - газовая постоянная, Дж/Кмоль;
Т_азот - температура азотирования, К;
Т_отж - температура восстановительного отжига, К;
τ_азот - время азотирования, с.