Спосіб хіміко-термічної обробки титанових сплавів

1. Спосіб хіміко-термічної обробки титанових сплавів, призначений для підвищення втомних властивостей та статичної міцності альфа- та псевдо-альфа-титанових сплавів, який полягає у регламентованому (приріст поверхневої твердості повинен становити 900... 1000 МПа при глибині 3 го насичення, у складі інертного газу аргону та газоподібного кисню регламентованого парціального тиску. В основі корисної моделі лежать відомі факти про рівномірність розподілу температурного поля та складу технологічного газового середовища в реакційній камері під час термодифузійного насичення зі статичної атмосфери з тиском ≥ 1060гПа, що забезпечує відтворюваність результатів хімікотермічної обробки, збереження якості та елементного складу поверхні через пригнічення процесів сублімації та поверхневої дифузії [Термическая обработка титановых и алюминиевых сплавов в вакууме и инертных средах / Г.Г. Максимович, В.Н. Федирко, Я.И. Спектор, А.Т. Пичугин. - К.: Наук, думка, 1987. - 184 с; Крупин А.В. Прокатка металлов вакууме. - М.: Металлургия, 1974. - 248 с]. За термодифузійного насичення зі статичного реакційного середовища з тиском ≥ 1060 гПа параметри зміцнення поверхні металу не залежать від просторової орієнтації виробів в камері та їх геометричної форми (глухі отвори, пази, заглиблення тощо), а сама газова реакційна суміш може бути підготовлена заздалегідь на спеціалізованих підприємствах. Нагрівання у глибокому вакуумі до температури термодифузійного насичення сприяє зневодненню металу та активації його поверхні через розчинення поверхневих оксидних плівок [Вакуумный отжиг титановых конструкций / Б.А. Колачев, В.В. Садков, В.Д. Талалаев и др. - М.: Машиностроение, 1991. - 224 с]. Поставлена задача вирішується тим, що в способі хіміко-термічної обробки титанових сплавів твердорозчинне зміцнення поверхні металу термодифузійним насиченням здійснюється зі статичної атмосфери кисневмісної газової реакційної суміші (склад газової суміші: інертний газ аргон та газоподібний кисень регламентованого парціального тиску). Цикл обробки включає нагрівання у глибокому вакуумі P  13  10 3 Па до температури , 700...800 °С, напуск реакційної суміші до тиску 1060гПа та ізотермічну витримку протягом 3...5 год. Парціальний тиск кисню у газовій реакційній суміші регламентується об'ємом реакційної камери, площею зміцнюваної поверхні металу та змі-1 нюється в діапазоні 1,3х10 ...13,0 Па при співвідношенні об'єму реакційної камери до площі поверхні виробів, що обробляються в інтервалі 3 2 100... 10 дм /дм . Обробка в указаному діапазоні температурно-часових та газодинамічних параметрів середовища забезпечує оптимальні, з точки зору втомної довговічності, параметри твердорозчинного зміцнення поверхні альфа-та псевдоальфа-сплавів титану (приріст поверхневої твердості 900...1000 МПа, глибина зміцненого шару 30...50мкм), дозволяє на 20...35 % підвищити границю втоми та статичної міцності виробів при підвищенні технологічності обробки, стабільності та відтворюваності результатів регламентованого твердорозчинного зміцнення поверхневих шарів металу. Нагрівання виробів з альфа-та псевдо-альфасплавів титану у глибокому вакуумі до температури термодифузійного насичення сприяє зневодненню об'єму металу та активації його поверхні 62404 4 через розчинення поверхневих оксидних плівок, що інтенсифікує дифузійні процеси та покращує об'ємні властивості металу. Застосування статичного газового реакційного середовища тиском більшим за атмосферний під час термодифузійного насичення запобігає натіканню ззовні хімічно активних газів в реакційну камеру, забезпечує стабільність та рівномірність розподілу технологічного середовища по всьому об'єму камери, поліпшує теплообмін та вирівнює температурне поле в камері під час хіміко-термічної обробки, що, як наслідок, забезпечує відтворюваність результатів хіміко-термічної обробки та виключає вплив просторової орієнтації виробів в камері та їх геометричної форми (глухі отвори, пази, заглиблення тощо) на параметри зміцнених шарів. Окрім того газова реакційна суміш (інертний газ аргон та газоподібний кисень регламентованого парціального тиску) може бути підготовлена заздалегідь на спеціалізованих підприємствах, що забезпечує підвищену технологічність запропонованого способу. 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 напружень; максимальним подрібненням субзеренної структури приповерхневого шару металу та упорядкуванням його дислокаційної структури, - вихід за межі оптимального рівня зміцнення, через недотримання вказаного діапазону температурно-часових та газодинамічних параметрів, призводить або до занадто малого зміцнення металу (низькі температура та парціальний тиск кисню у реакційній суміші), або до вичерпання запасу мікропластичності (метал окрихчується), розупорядкування дислокаційної та огрубіння субзеренної структури, і, як наслідок, до зниження втомної довговічності та статичної міцності металу аж до крихкого руйнування (високі температура та парціальний тиск кисню у реакційній суміші). Згідно з корисною моделлю регламентоване твердорозчинне зміцнення поверхні титанових сплавів термодифузійним насиченням із статичної атмосфери газової реакційної суміші, у складі інертного газу аргону та газоподібного кисню регламентованого парціального тиску, дозволяє підвищити границю втоми та статичної міцності альфата псевдо-альфа-титанових сплавів при збереженні вихідної якості поверхні та геометричних розмірів виробів, а також підвищити технологічність та відтворюваність результатів хімікотермічної обробки, що є додатковим позитивним чинником у забезпеченні працездатності виробів. Приклад: За базу порівняння взяті зразки альфа-(ВТ1-0 та ПТ7М) та псевдо-альфа-(ОТ4-1) сплавів титану у відпаленому стані. Оксидування зразків сплавів ВТ1-0, ПТ7М та ОТ4-1 проводили за відомим способом Т= 750 °С, P  2,0  10 3 Па,   5 год., пи-1 томе натікання в об'єм печі 20 мкПахс . Зразки цих сплавів обробляли також за пропонованим способом за наступними режимами (табл. 1): 5 62404 6 Таблиця 1 Сплав Температура (T),°с Парціальний тиск кисню в газовій суміші (Po2 ) , Па Тривалість () , год ВТ 1-0 ПТ7М ОТ4-1 750 750 750 0,5 0,5 0,5 5 5 5 Примітка: тиск газової суміші у реакційній камері становить 1060 гПа, співвідношення об'єму реакційної 3 2 камери до площі поверхні виробів, що оброблялися - 70 дм /дм . 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 ВТ 1-0 ПТ7М ОТ4-1 Режим Стандартна похибка середнього значення твердості поверхні, ГПа Шорсткість поверхні, Ra, мкм Вихідний Відомий Пропонований Вихідний Відомий Пропонований Вихідний Відомий Пропонований ±0,05 ±0,50 ±0,10 ±0,05 ±0,55 ±0,15 ±0,05 ±0,60 ±0,25 0,65 0,80 0,70 1,70 1,90 1,75 0,80 1,10 0,90 Напруження Відносний при- руйнування за Границя втоми ріст границі статичного втоми  1 .,, навантаження  1 МПа на базі 1000 % год., МПа