Технологические основы комбинированных технологий обработки поверхности деталей из титановых сплавов


ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ



Монография



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.791
ББК 34.641
     Т38



Авторы:
Овчинников В. В., Учеваткина Н. В., Курбатова И. А., Лукьяненко Е. В., Сбитнев А. Г., Слезко М. Ю., Якутина С. В.

Рецензент:
доктор технических наук, главный научный сотрудник АО «НПО «ЦНИИТМАШ» Феклистов Станислав Ильич




Т38       Технологические основы комбинированных технологий обра-
     ботки поверхности деталей из титановых сплавов : монография / [Овчинников В. В. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -232 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0879-0

     Рассмотрены научные и технологические основы создания комбинированных технологий обработки поверхности титановых сплавов, которые приводят к повышению эксплуатационных свойств деталей. Представлены результаты систематических комплексных экспериментальных исследований по повышению эксплуатационных свойств поверхности титановых сплавов: износостойкость, коррозионная стойкость, антибактериальная активность. Предложены комбинированные технологии обработки титановых сплавов, базирующиеся на ионной имплантации.
     Для специалистов в области сварочного производства. Может быть полезно студентам и научным работникам.

                                                          УДК 621.791
                                                          ББК 34.641








ISBN 978-5-9729-0879-0

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ВВЕДЕНИЕ


    Одним из наиболее перспективных направлений развития упрочняющих технологий в машиностроении является поверхностная модификация сплавов высококонцентрированными источниками нагрева (ВКИН) - лазерным лучом, электронным лучом, плазменной струей. Благодаря локальному и сверхскоростному тепловому воздействию создаются перспективы получения более высоких значений твердости, прочности, вязкости разрушения в сравнении с объемной обработкой или традиционными способами поверхностного упрочнения, например, за счет локального пластического деформирования. Это обусловлено, прежде всего, образованием в поверхностном слое высокодисперсной метастабильной структуры с намного более высокой плотностью дислокаций. Из способов упрочнения ВКИН более экономичным, производительным и доступным является плазменное упрочнение [1].
    Регулируя основные технологические параметры плазменной обработки (величину тока плазменной струи I, скорость перемещения плазмотрона -скорость обработки V), можно реализовывать различные методы поверхностной модификации материалов - поверхностную закалку в твердом состоянии (обработка без оплавления), поверхностную закалку из жидкого состояния (обработка с оплавлением).
    Исследования показывают, что наиболее высокие свойства сталей при определенных вариантах упрочнения могут быть достигнуты при плазменной обработке с оплавлением тонкого поверхностного слоя (0,1...0,2 мм), так называемом плазменном микрооплавлении [1, 2].
    В этом случае неизбежно изменение микрогеометрии поверхности деталей или инструмента (шероховатости поверхности), что может существенно повлиять на работоспособность упрочненных изделий и вызвать необходимость применения дополнительной механической обработки [3]. Влияние режимов лазерного упрочнения на характеристики шероховатости поверхности достаточно подробно изучено [4, 5]. Для случая же плазменного упрочнения такие данные в литературе отсутствуют.
    Известно, что поверхность обработанной детали не является идеально ровной и геометрически правильной. Она отличается от номинальной (заданной чертежом) микро- и макрогеометрическими отклонениями. Микрогеометрические отклонения определяют шероховатость поверхности, макрогеометрические - характеризуют волнистость и отклонения формы. Между этими видами погрешностей нет четкого физического различия, однако условно их можно разделить по отношению шага S к значению отклонения А от номинального контура. Неровности, для которых отношение S/A < 40, относят к шероховатости, при 1000 > S/A> 40 - к волнистости, при S/A > 1000 -к отклонениям формы.
    Использование концентрированных потоков энергии для получения износостойких покрытий или их синтеза в поверхностном слое обрабатываемой

3

детали является одним из фундаментальных направлений современной металлофизики.
    Большой резерв для повышения эксплуатационных свойств деталей, работающих в условиях трения, заключается в совмещении нескольких видов обработки при формировании модифицированного слоя на поверхности детали. Одним из таких видов обработки является ионная имплантация. Поэтому весьма важно определить последовательность использования различных методов в комплексной технологии обработки поверхностного слоя титанового сплава ВТ6, включая плазменную, лазерную и ионную обработку.
    Антибиотики долгое время были наиболее предпочтительным средством лечения бактериальных инфекций из-за их высокой рентабельности и достаточно эффективных результатов. Однако все больше исследований представляют прямые свидетельства появления множества штаммов бактерий и грибов, проявляющих широкую резистентность к действию антибиотиков в связи с широким их применением [6, 7].
    Наночастицы все больше и больше применяются для борьбы с бактериями, в качестве альтернативы антибиотикам. Наночастицы металлов и их оксидов могут быть особенно выгодными в лечении и профилактики бактериальных инфекций, а также для предотвращения размножения микроорганизмов на различных поверхностях.
    Антибактериальные механизмы действия наночастиц находятся в процессе тщательного изучения. Например, известно, что наночастицы меди обладают многосторонним действием на бактериальную клетку [8]. Множественные одновременные механизмы противомикробного действия требуют от бактериальной клетки множественных одновременных мутаций генов для устойчивости к антибактериальным препаратам. Это во много раз уменьшает шансы возникновения резистентности к наночастицам у патогенных микроорганизмов. Наночастицы имеют характерные размеры от 1 до 100 нм. Их исключительно небольшой размер приводит к новым свойствам, таким как более активное взаимодействие с клетками микроорганизмов из-за большего отношения площади поверхности к массе.
    Многие века такие металлы как серебро использовались для лечения ожогов и хронических ран, а медь применяли для получения питьевой воды. Совершенно очевидно, что некоторые из металлических соединений обладают антимикробными свойствами. В последнее время слияние нанотехнологий и биологии привело к тому, что металлы превратились в наночастицы в виде потенциальных противомикробных агентов.
    Нельзя отрицать, что наночастицы металлов являются одними из самых перспективных альтернативных биоцидных агентов нового поколения. Все возрастающее количество бактерий, приобретающих резистентность к антибиотикам, еще больше стимулирует этот процесс. Принимая во внимание, как преимущества, так и недостатки использования наночастиц металлов, можно утверждать, что это успешная альтернатива применению антибиотиков. Возможности использования наночастиц только расширяются и открываются новые методы применения, некоторые из которых были описаны выше.

4

Необходимо помнить, что это также открывает широкое поле для изучения всех аспектов действия подобных биоцидных агентов, включая изучение потенциальной опасности и токсичности. Безопасность использования - это один из определяющих качеств любого лекарственного препарата.
    В силу отмеченного выше, результаты исследований научных и технологических основ создания комбинированных технологий обработки поверхности титановых сплавов включают в себя два крупных кластера - это решение технических задач по повышению износостойкости и коррозионной стойкости, а также решение проблем биосовместимости титановых имплантантов со средой человеческого организма.
    Результаты исследований, изложенные в монографии, получены в рамках ГЗ № FZRR-2020-0023/code 0699-2020-0023 «Влияние магнитных полей и ионной имплантации на структуру, химический состав и свойства титановых, алюминиевых сплавов и элементарных полупроводников».

5

Глава 1


        ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ


        1.1. Особенности процесса ионной имплантации


    Одним из перспективных методов совершенствования новой техники, работающей в условиях высоких и низких температур, агрессивных сред, является ионная имплантация (ИИ). Под ИИ понимается обработка поверхности материала пучком ускоренных ионов. Поверхность, обработанная потоками заряженных частиц, обеспечивает повышение твердости, износостойкости и коррозионной устойчивости к агрессивным средам. Схема процесса ионной имплантации приведена на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Схема процесса ионной имплантации

    В результате ИИ происходит насыщение поверхности различными ионами металлов и газов. Одним из основных преимуществ ИИ перед традиционными способами введения примеси является неравновесная природа процесса. При ионном легировании атомы инжектируются за счет кинетической энергии ионов, намного превышающую энергию связи атомов решетки. Это открывает уникальную возможность получения смеси из любых элементов. В зависимости от дозы ионного облучения на поверхности обрабатываемой мишени образуется тонкий поверхностный слой толщиной от нескольких десятков нанометров до сотен микрометров. В результате ИИ происходит изменение химического состава (легирование) тонкого поверхностного слоя с образованием выделений и метастабильных фаз, насыщенных и пересыщенных твердых растворов, наноразмерных внедрений вторых фаз, интерметаллидных соединений, перестройкой кристаллической решетки, аморфизацией структуры и т. п.
    Другим характерным отличием ионной имплантации от традиционных способов введения легирующих примесей является образование большого количества радиационных дефектов в имплантированном слое и высоких

6

механических напряжений. Возникновение сжимающих напряжений в имплантированном слое аналогично воздействию дробеструйной обработки.
    До начала 80-х годов XX века для ионной обработки металлических материалов применялись ионные источники непрерывного действия. Как правило, это были источники газовых ионов, например, ионов азота. Это было связано с простотой получения пучка газовых ионов, параметры которого можно было варьировать в широких пределах. Кроме того, большинство деталей машин и инструмента производится из сталей, содержащих нитридообразующие элементы, включая основной компонент железо. Обработка ионами азота приводила к формированию в поверхностном слое мелкодисперсных нитридов и его упрочнению.
    Все структурные и фазовые превращения при ионной бомбардировке можно объединить в несколько групп:
    1.      Образование радиационных дефектов - точечных, линейных и протяженных, при этом кристалличность сохраняется, и тип структуры не изменяется;
    2.      Превращения, связанные с разрушением кристаллической решетки (аморфизация) или с обратным процессом - кристаллизацией;
    3.      Превращения, происходящие при внедрении химически активных ионов и состоящие в образовании соединений между внедряемым элементом и веществом мишени;
    4.      Изменение типа кристаллической структуры без перехода в аморфное состояние, изменения стехиометрии или образование новых химических соединений;
    5.      Превращения сложных веществ, сопровождающиеся диссоциацией, т. е. изменением стехиометрии.
    Весь интервал энергий ускоренных ионов можно разделить на три диапазона, и соответственно различают низкоэнергетическую (1-10 кэВ), среднеэнергетическую (10-10³ кэВ) и высокоэнергетическую (более 10³ кэВ) ионную имплантацию.
    Наиболее перспективными ионными источниками для обработки металлических конструкционных материалов, где требуются высокие дозы облучения при средних энергиях, являются источники на основе вакуумной дуги. Типичными представителями ионных источников такого типа являются источники «Диана-2», «Титан», серии «Радуга».
    Такие источники работают в частотно-импульсном режиме и обеспечивают высокую производительность. Катодная дуга используется для формирования плазмы, из которой экстрагируется пучок ионов. Ионы в пучке имеют разную зарядность. Для каждого химического элемента характерно свое распределение ионов по зарядовым состояниям. Источники на основе вакуумной дуги позволяют генерировать ионные пучки с высокой плотностью ионного тока и обеспечивают многоэлементную, высокодозовую, высококонцентрационную и другие виды ионной имплантации.
    Ионная имплантация имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами обработки поверхности, например, нанесением покрытий. К ним

7

можно отнести следующие. 1) Поверхностные свойства материала можно изменять независимо от его объемных свойств. 2) Процесс не имеет термодинамических ограничений, предел растворимости может быть превышен на несколько порядков, составы сплавов не ограничены диффузией, и новые метастабильные составы могут быть также получены. 3) Ионная имплантация модифицирует существующие поверхности и границы раздела. 4) Первоначальные размеры и степень шероховатости поверхности изделия не изменяются в процессе ионной обработки. 5) Низкие температуры процесса ионной имплантации позволяют избежать деградации поверхностной обработки и объемных механических свойств, связанных с повышением температуры. 6) Параметры процесса ионной имплантации хорошо контролируются и могут быть воспроизведены с хорошей точностью.
    Вместе с тем процесс ионной имплантации имеет и некоторые ограничения. Причем преимущества и достоинства метода ионной имплантации приводят и к его недостаткам. Основное ограничение при ионной обработке однонаправленным пучком обусловлено тем, что этот процесс является «прямолинейным» (ускоренные ионы летят по прямолинейным траекториям). Поэтому ионную обработку невозможно применить к образцам со сложной геометрией. Кроме того, для энергий, обычно используемых при ионной имплантации (20...200 кэВ), пробег ионов в твердом теле небольшой. Как правило, проективный пробег ионов не превышает десятой доли микрометра, а, как известно, толщина получаемого поверхностного слоя примерно соответствует длине пробега внедряемых при имплантации ионов. Такая ионная обработка приводит только к поверхностному проникновению ионов и модификации тонкого слоя мишени. Наконец, ионная имплантация, как метод поверхностной модификации, непривычен большинству технологов, применяющих другие процессы поверхностной обработки. Кроме того, ионная имплантация, как технологический метод, требует высокой квалификации обслуживающего персонала. Указанные ограничения могут в той или иной степени сняты различными путями [9-11].
    Бомбардировка быстрыми ионами и атомами поверхности твердых материалов сопровождается рядом физических явлений или процессов. Среди них: Оже-электронная эмиссия и нейтрализация подлетающего к поверхности иона, отражение части бомбардирующих ионов и их энергии, ионноэлектронная потенциальная и кинетическая эмиссия, ионно-фотонная эмиссия, внедрение ионов, потери энергии и распределение внедренных атомов по глубине твердого тела, радиационные повреждения, диффузия и радиационноускоренная диффузия, ионное распыление, блистеринг, шелушение поверхности ряда твердых материалов и др.
    При ионной имплантации ускоренные атомы внедряются в поверхностный слой твердотельной подложки. Толщина поверхностного слоя, в котором происходит торможение ионов, в зависимости от энергии ускоренных ионов варьирует от долей микрометра до десятков и сотен микрометров. В указанном поверхностном слое происходит изменение химического состава (легирование)

8

и структурно-фазового состояния (образование выделений и метастабильных фаз, аморфизация, появление радиационных дефектов и т. п.) [12-17].
    Среди большого разнообразия видов ионной имплантации по энергиям ускоренных ионов и интенсивности ионного потока можно выделить следующие виды. Это - низкоэнергетическая ионная имплантация, имплантация ионов средних энергий, высокоэнергетическая ионная имплантация и сильноточная (высокоинтенсивная) ионная имплантация.
    Низкоэнергетическая ионная имплантация. На практике к низкоэнергетическим относят ионные имплантеры, ускоряющие частицы до энергии 10⁰-10¹ кэВ, В этом диапазоне энергий доминирующим оказываются ядерные столкновения иона с атомами твердого тела. Конкретно соотношение вклада ядерных и электронных потерь определяется массами и зарядами имплантируемых ионов и атомов твердого тела и величиной Боровского радиуса.
    Среднеэнергетическая ионная имплантация. К ионам средней энергии относят частицы с энергией 101...10³ кэВ. Именно в этой области работали первые промышленные имплантеры. Оборудование для этого диапазона энергий оказывается сравнительно простым и недорогим. Глубина проникновения легирующих частиц обычно не превышает десятых долей микрометра, а увеличение температуры мишени, включая поверхностные слои, при обработке металлов на оборудовании этого класса может не превышать 100 °С. Как правило, именно среднеэнергетическая ионная имплантация применяется для ионной обработки металлических материалов с целью повышения физико-механических свойств.
    Высокоэнергетическая ионная имплантация. К высокоэнергетической ионной имплантации относят обработку частицами, энергия которых превышает 10³ эВ. В последние годы появились ионные ускорители, обеспечивающие имплантацию тяжелых ионов энергией, исчисляемой гигаэлектронвольтами (~10 кэВ). Диапазон высоких энергий целесообразно разделять на два поддиапазона. Для первого поддиапазона (ионы с энергией несколько мегаэлектронвольт) характерно количественное изменение таких параметров, как пространственное распределение внедренных атомов, радиационных дефектов, соотношение дефектов различного типа. Для второго поддиапазона (ионы с энергией в десятки ГэВ и выше) наблюдаются качественно новые эффекты взаимодействия ионов с атомами, радикальное изменение соотношения между вкладами электронного и ядерного торможения, образование таких дефектов строения, как скрытые треки. При этом традиционные подходы к описанию экспериментальных результатов не всегда оказываются адекватными. Основное преимущество метода - большая глубина проникновения бомбардирующих частиц, достигающая 10.100 мкм. Однако для набора высоких доз ионного облучения требуются значительные времена ионной обработки.
    Сильноточная ионная имплантация с плотностями ионного тока, в том числе и импульсная, сопровождается разогревом поверхности и обеспечивает сочетание баллистических и диффузионных процессов. В условиях

9

сильноточной имплантации энергия легирующих частиц перестает быть фактором, определяющим глубину модифицированного слоя. За счет баллистического проникновения ионов и их диффузионного перераспределения оказывается возможным легирование слоев с толщиной до десятков микрометров и более при использовании частиц, энергия которых не превышает несколько килоэлектронвольт.
    Вместе с тем энергия ионов должна быть достаточной для распыления окисных и адсорбционных слоев, преодоления потенциального энергетического барьера, связанного с наличием поверхности. Кроме того, использование ионов с энергией в несколько килоэлектронвольт позволяет применять значительно более простое, дешевое и безопасное оборудование.
    В случае модификации металлических материалов с целью повышения физико-механических свойств требуются флюенса облучения 10¹⁷ см⁻². Часто такие дозы называют металлургическими, поскольку концентрация легирующих элементов достигает от единиц до десятков атомных процентов, а саму ионную имплантацию высокодозовой. Отметим, что при высокоинтенсивной ионной имплантации достигаются высокие значения флюенса облучения 10¹⁹ см⁻² и более, а энергия ускоренных ионов находится в пределах от 1 до 10 кэВ. За счет высоких интенсивностей ионных потоков происходит диффузионное насыщение приповерхностных слоев толщиной до 10-100 мкм.
    Для успешного применения ионной имплантации необходимо знать пространственное распределение внедренных ионов, природу и степень создаваемого решеточного разупрочнения и места локализации атомов в кристаллической решетке после их полного торможения.
    Торможение иона. При внедрении в твердое тело ускоренный ион претерпевает серию столкновений с атомами и электронами мишени, что приводит к торможению и изменению положения иона, смещению атомов из узлов кристаллической решетки, распылению материалов мишени и излучению вторичных частиц. В большинстве случаев сложная гамма взаимодействий сводится к двум независимым механизмам - упругому рассеянию на ядрах и неупругому взаимодействию с электронными оболочками.
    При упругих взаимодействиях налетающая частица передает часть своей кинетической энергии ядрам (атомам) твердого тела (мишени), что вызывает образование смещенных из равновесных положений атомов, т. е. атомов отдачи. Упругие столкновения могут приводить к большим дискретным потерям энергии и значительным отклонениям иона от его первоначальной траектории. Этот процесс приводит к разупорядочению кристаллической решетки за счет смещения атомов из узлов решетки.
    При неупругих соударениях определенное количество энергии тратится на инициирование электронных переходов, причем возможно несколько процессов, обусловленных такими переходами: возбуждение и инициация атомов при обмене электронами в сталкивающихся атомах. Столкновения иона с электронами мишени происходят непрерывно и сопровождаются значительно меньшими потерями энергии внедряемого иона за одно столкновение.

10