Введение к работе
Актуальность работы. Современная химическая, энергетическая, судостроительная и авиационная отрасли промышленности предъявляют высокие требования к надежности эксплуатируемых конструкций и оборудования и, как следствие, к применяемым материалам, особенно работающих в коррозионно-агрессивных средах, при повышенных температурах и на изнашивание. При этом финишные методы обработки, формирующие физико-химическое состояние поверхностного слоя деталей, играют в большинстве случаев решающую роль.
Ограниченное применение титана и его сплавов в качестве конструкционного материала для изготовления подвижных деталей машин и механизмов связано с высокой склонностью к схватыванию и задиранию при работе на трение скольжения даже в условиях подачи обильной смазки, что обусловлено сравнительно высоким коэффициентом трения по титану (0,5).
Анализ исследований в области разработки методов повышения ресурса высоконагруженных деталей машин показал, что применение вакуумных ионно-плазменных технологий высоких энергий позволяет существенно изменять структуру поверхностного слоя и его физико-механические и химические свойства.
В этой связи, весьма актуальными являются исследование влияния ионной имплантации одновременно двух сортов ионов на свойства поверхностного слоя титанового сплава ВТ6 и его сварных соединений, а также разработка технологии для повышения эксплуатационных свойств нагруженных шарнирных соединений в конструкциях летательных аппаратов.
Научные исследования по данной теме проводились в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (тема №16.740.11.0558 от 23.05.2011 г.).
Цель работы: Установить влияние ионной имплантации с катодом из сплава Co–Cu на износостойкость и эксплуатационные свойства двухфазного (+)-сплава Ti–Al–V (ВТ6) и его сварных соединений.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Обоснование выбора состава материала катода имплантера.
-
Исследование распределения ионов в поверхностном слое титанового сплава ВТ6, получаемого путем имплантации с применением двухкомпонентных катодов на основе медь-кобальт.
-
Экспериментальные исследования влияния ионной имплантации на износостойкость сплава ВТ6 и его сварных соединений, полученных сваркой плавлением.
-
Определение влияния параметров режима имплантирования на изменение эксплуатационных свойств сплава ВТ6.
-
Экспериментальное исследование изменения структуры поверхностного слоя сплава ВТ6 и его сварных соединений под влиянием имплантации ионами сплава Co–Cu.
-
Проведение промышленной апробации результатов исследований и разработка технологических рекомендаций по имплантации деталей летательных аппаратов из сплава ВТ6.
Объект исследования. Объектом исследований является поверхностный слой деталей из сплава ВТ6 и его сварных соединений, работающих в условиях трения.
Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности изменения свойств и структуры имплантированного слоя деталей из титанового сплава ВТ6 под действием пучка ионов меди и кобальта.
Положения, выносимые на защиту:
-
Наличие кобальта в материале катода имплантера в количестве до 60% приводит к повышению износостойкости имплантированного титанового сплава ВТ6 в 3,0...3,6 раза.
-
С увеличением содержания кобальта в материале катода до 50% наблюдается рост показателя относительной усталости до 2,11. Дальнейшее увеличение содержания кобальта в материале катода имплантера вызывает снижение показателя относительной усталости по отношению к необлученному образцу до 1,6.
-
Снижение усталости образцов, облученных ионами из катода из сплава 40%Cu–60%Co, происходит по причине образования в имплантированном слое интерметаллидного соединения TiCo2.
Научная новизна:
1. Впервые применены двухкомпонентные композиционные сплавы на основе Cu–Co в качестве источника ионов для синтеза антифрикционных имплантированных слоев в поверхностных областях деталей из титанового сплава ВТ6, подвергающихся износу при трении.
2. Впервые имплантации подвергнуто сварное соединение
сплава ВТ6, выполненное сваркой плавлением, и установлен факт
повышения его износостойкости.
3. Установлен факт увеличения глубины проникновения ионов
в имплантированном слое сварного шва по сравнению с основным
металлом сплава ВТ6 вследствие наличия литой структуры и растя
гивающих напряжений в шве.
Практическая значимость результатов работы:
-
Разработан технологический процесс ионной имплантации поверхности деталей из титанового сплава ВТ6 с применением в качестве источника ионов композиционного сплава Cu–Co.
-
Полученные результаты могут использоваться для изготовления деталей высоконагруженных шарнирных соединений из титанового сплава ВТ6 и его сварных соединений.
Методы исследования. Эксперименты проводились в лабораториях Московского государственного индустриального университета (ФГБОУ ВПО «МГИУ»), Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУ МИСиС») и Исследовательского Центра «Сколково» на следующем оборудовании: стенд «ИНС-ТРОН ТТ–ДМ»; испытательная машина «TIRATE ST–2300»; машина трения Tribometer, CSM Instruments (Швейцария); оптический микроскоп «Karl Zeiss»; электронный сканирующий микроскоп «Сarl Zeiss» EVO 50; электронные микроскопы ЭМ-125К и Tesla RS-540 (ПЭМ); оже-спектрометр PHI 700 AES, «Physical Electronics»; установка PHI-6600 SIMS System, «Physical Electronics» (ВИМС); дифрактометры ДРОН-3 и D8 Discover (Bruker-AXS, Германия); микротвердомер ПМТ-3; оптический профилометр Veeco WYKO NT1 100 (США).
Достоверность результатов. Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается применением современных методов исследований, исследовательской и контрольно-измерительной техники, объемом проведенных экспериментов, согласованностью теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на 7-й Российской ежегодной конференция молодых научных сотрудников и аспирантов (ИМЕТ, Москва, 2010); «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы -2010» (г. Уфа, 2010); VI Междуна-
родной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (г. Черноголовка, 2010); VI Международной научно-технической конференции (г. Томск, 2011);
Публикации. Основные результаты диссертационной работы в 9 печатных работах, в том числе 4 статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, общие выводы, список использованной литературы (115 наименований) и приложения, изложена на 159 страницах текста, в том числе 93 рисунках и 15 таблицах.
