Спосіб хіміко-технічної обробки для підвищення втомних властивостей виробів з альфа- та псевдо-альфа-сплавів титану

Корисна модель відноситься до хіміко-термічної обробки, зокрема, до твердорозчинного поверхневого зміцнення титанових сплавів шляхом термодифузійного насичення з контрольованого розрідженого кисневмісного газового середовища, і може знайти застосування в машинобудівній, авіаційній, космічній та інших галузях промисловості для виробів, що експлуатуються за дії циклічних навантажень. Відомий спосіб поверхневого зміцнення деталей з титанових сплавів оксидуванням у вакуумі 133х10-3Па за температурою 700-1050°С протягом 0,3-7год для підвищення зносотривкості та усунення задирання за умов роботи на тертя. У результаті такого способу обробки відбувається насичення поверхні деталей киснем та утворення твердого зносотривкого дифузійного шару, який є твердим розчином проникнення кисню в титані: глибина шару 30-150мкм, твердість поверхні 6800-10000МПа [Производственная инструкция ПИ. 1.2.027-87. Оксидирование деталей из титановых сплавов в кипящем слое и в вакууме. - М: Типография МАЛ , 1989. - 9с.]. Недоліком відомого способу є висока температура (Т£1050°С), яка може перевищувати температурний інтервал поліморфного перетворення титанових сплавів і зумовлювати інтенсивний ріст зерен титанової матриці, призводячи до різкого її окрихчення, і високий тиск (Р=133х10-2Па) насичувального кисневмісного газового середовища внаслідок чого формується дифузійна (газонасичена) зона з високим градієнтом твердості та високою твердістю поверхні металу. Внаслідок високої твердості поверхні деталей та наявності дифузійного шару з великим градієнтом твердості границя втоми металу для усі х сплавів знижується на 25-30%. В основу корисної моделі поставлене завдання розробити спосіб хіміко-термічної обробки, а саме, підвищити границю втоми альфа- та псевдо-альфа сплавів титану за рахунок регламентованого твердорозчинного зміцнення поверхневих шарів (формування заданих поверхневої твердості та глибини зміцненої зони) виробів під час термодифузійного насичення з контрольованого розрідженого кисневмісного газового середовища. В основі корисної моделі лежить ідея про підвищення границі втоми титанових сплавів за рахунок виникнення стискальних напружень в поверхневому шарі металу та зміни його субструктури за умови утворення твердого розчину проникнення кисню в титані з певним співвідношенням параметрів К і l зміцнених шарів: К відносного приросту твердості поверхні або ступеня поверхневого зміцнення (К=((Нµ П-Нµ с)/Нµ с)х100%, де: Нµ П твердість поверхні металу; Нµ с - твердість його серцевини) та l - глибини зміцненої зони [О влиянии глубины съема газонасыщенного слоя на повторно-статическую долговечность и пластичность титановых сплавов ОТ4 и ВТ6ч // А.Б. Коломенский, Б.А. Колачев, А.В. Дегтярев, А.Н. Ро щупкин // Физ.-хим. механика материалов - 1991. 27, №3. - С.25-28; 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. - 32, №6. - С.49-54]. Залежність границі витривалості α- і псевдо-α-сплавів титану від поверхневого зміцнення (К) має максимум, величина якого залежить від глибини зміцненої зони (І). Тобто, для кожного сплаву існує оптимальне сполучення параметрів К та І для підвищення їх витривалості. Фізична природа підвищення границі витривалості титанових сплавів за умов твердорозчинного зміцнення поверхневих шарів металу термодифузійним насиченням полягає у деформації кристалічної решітки металу та виникненні стискальних напруг, зміні субзеренної структури [Витривалість титанового сплаву ВТ1-0 після термодифузійного поверхневого зміцнення / Пічугін А.Т., Федірко В.М., Лук'яненко О.Г., Он уферко В.С // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2005. - т.41, №3. - С.119-122]. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі хіміко-термічної обробки для підвищення втомних властивостей виробів з альфа- та псевдо-альфа-сплавів титану здійснюється регламентоване поверхневе твердорозчинне зміцнення термодифузійним насиченням з розрідженого кисневмісного газового середовища у контрольованому вузькому діапазоні параметрів: розрідження 1,3´10-4...1,3´10-2Па, питоме натікання в об'єм печі не більше 26мкПа´с-1, температура обробки 700...800°С, тривалість 3...5 годин. Обробка в указаному діапазоні температурно-часових та газодинамічних параметрів забезпечує оптимальні, з точки зору втомної довговічності, параметри твердорозчинного зміцнення поверхні металу. Оптимальні параметри поверхневого твердорозчинного зміцнення для альфа- та псевдо-альфа- сплавів титану становлять: приріст поверхневої твердості 900...1000МПа, глибина зміцненого шару 30...50мкм, - це дозволяє на 20...35% підвищити границю витривалості альфа- та псевдо-альфа-титанових сплавів. Оскільки максимальний рівень втомної довговічності при зміцненні на оптимальний рівень твердорозчинного зміцнення обумовлений одночасною дією взаємодоповнюючих чинників: найбільшою деформацією кристалічної решітки металу та виникненням максимального рівня стискальних напруг; максимальним подрібненням субзеренної структури приповерхневого шару металу, - ви хід за межі оптимального рівня зміцнення, через недотримання вказаного діапазону температурно-часових та газодинамічних параметрів, призводить або до занадто малого зміцнення металу (низькі температура та тиск середовища), або до вичерпання запасу мікропластичності (метал окрихчується), недостатнього пророблення субзеренной структури і зниження втомної довговічності металу аж до крихкого руйнування (високі температури та тиск середовища). Згідно з корисною моделлю регламентоване твердорозчинне зміцнення поверхневого шару виробів з титанових сплавів за рахунок термічної обробки у розрідженому повітрі - джерелі кисню, дозволяє підвищити границю витривалості титанових сплавів при збереженні вихідної якості поверхні виробів та їх геометричних розмірів, що є додатковим позитивним чинником у забезпеченні працездатності виробів. Приклад За базу порівняння взяті зразки альфа- (ВТ1-0 та ВТ5) та псевдо-альфа- (ОТ4-1) сплавів титану у відпаленому стані. Оксидування зразків сплавів ВТ1-0, ВТ5 та ОТ4-1 проводять за відомим способом Т=800°С, Ρ=133´10-2Па, t=4год. Зразки цих сплавів обробляють також за пропонованим способом за наступними режимами (табл.1): Таблиця 1 Сплав Температура (Τ), °С Розрідження (Ρ), Па Тривалість (t), год ВТ1-0 ВТ5 ОТ4-1 3,5´10-3 2´10-3 5,3´10-2 700 750 700 4 4 3 У таблиці 2 наведені параметри зміцнених шарів та границя втоми зразків титанових сплавів у вихідному стані та оброблених за відомим та пропонованим способами. Таблиця 2 Сплав Режим 1,90 Твердість серцевини Н0, ГПа Вихідний ВТ1-0 Відомий 6,65 Границя Відносний втоми σ-1, приріст границі МПа втоми Δσ-1 , % 0 45-55 ≤160 -28,8 30-35 ≤295 +31,1 3,20 5-10 ≤420 0 7,70 55-60 ≤325 -22,6 4,03 30-35 ≤495 +18,0 2,80 10-15 ≤330 0 6,75 Відомий ≤225 2,75 1,80 Пропонований Вихідний ВТ5 Розмір зміцненого шару І, мкм 5-10 Твердість поверхні Нп, ГПа 70-80 ≤250 -24,2 3,58 45-50 ≤455 +38,0 3,05 Пропонований Вихідний Відомий 0Т4-1 2,65 Пропонований Втомні випробування виконані на циліндричних зразках з робочою частиною ø3мм за умов обертового згину. Згідно отриманих даних (табл.2) хіміко-термічна обробка за пропонованим способом підвищує границю втоми альфа- та псевдо-альфа-титанових сплавів ВТ1-0, ВТ5 та ОТ4-1 на 20-35% порівняно з вихідним станом, а за відомим - знижує.