CC BY
66
УДК 669.15:620.186:539.12
СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ЗОНЫ УПРОЧНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТИТАНА ВТ1-0 ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО КАРБОБОРИРОВАНИЯ И ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ
© Л.П. Ващенко, С.В. Райков, Ю.Ф. Иванов, Е.А. Будовских, В.Е. Громов
Ключевые слова: технически чистый титан ВТ1-0; электровзрывное карбоборирование; электронно-пучковая обработка; структура; просвечивающая электронная микроскопия; рентгенофазовый анализ.
Методами электронной дифракционной микроскопии тонких фольг и рентгенофазового анализа изучены структурно-фазовые состояния поверхностных слоев технически чистого титана ВТ1 -0 после электровзрывного кар-боборирования и последующей электронно-пучковой обработки. Показано, что такая обработка приводит к упрочнению поверхностного слоя толщиной 20-25 мкм вследствие формирования упрочняющих нано- и субмик-рокристаллических фаз карбида и боридов титана.
После науглероживания титана с использованием электрического взрыва углеродных волокон по всей глубине зоны оплавления и легирования наблюдается структурно свободный углерод, внесенный в расплав [1]. Такая структура обусловливает возможность ее дальнейшей модификации с целью растворения графита и увеличения содержания карбида титана. Эффективным инструментом для этого является электроннопучковая обработка (ЭПО), которая уже была опробована для модификации поверхности титана и конструкционной углеродистой стали после различных видов электровзрывного легирования (ЭВЛ) [1].
Целью настоящей работы являлся анализ особенностей формирования структурно-фазовых состояний зоны легирования образцов технически чистого титана ВТ1-0, подвергнутых электровзрывному карбобориро-ванию до и после электронно-пучковой обработки.
Образцы имели форму шайб толщиной 5 и диаметром 20 мм. Электровзрывное карбоборирование осуществляли на установке ЭВУ 60/10 [1]. Для формирования плазменной струи использовали углеродную ленту марки ЛУ-П/0,1-50 массой 140 мг. В области взрыва размещали навеску порошка аморфного бора марки Б-99В массой 50 мг, которая переносилась на упрочняемую поверхность. Режим обработки обеспечивал поглощаемую плотность мощности 5,5 ГВт/м2.
Электронно-пучковую обработку образцов поверхности после ЭВЛ осуществляли на установке «Соло» Института сильноточной электроники СО РАН при следующих режимах воздействия: плотность энергии пучка электронов 50 Дж/см2, длительность импульса воздействия 100 мкс, число импульсов 10, частота импульсов 0,3 Гц. Структурно-фазовые состояния изучали методами дифракционной электронной микроскопии и рентгенофазового анализа.
Исследования показали, что при ЭВЛ на поверхности обработки образуется тонкий слой покрытия, который характеризуется неоднородностью строения и присутствием в нем частиц углерода в квазиаморфном состоянии, наноразмерных (5-50 нм) выделений бори-да титана состава ТІВ и Р-титана (рис. 1). Выявлены
кристаллиты а-титана пластинчатой морфологии, поперечные размеры которых составляют 40-350 нм, и частицы карбида титана размерами 15-25 нм, располагающиеся в структуре а-титана в виде островков.
а) б)
Рис. 1. Структура покрытия, формирующегося на поверхности обработки при электровзрывном карбоборировании: а -светлое поле; б - темное поле, полученное в рефлексе (201) ТІВ; в - микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле; на микроэлектронограмме выявляются дифракционные кольца графита (104); (304); (227) и точечные рефлексы Р-титана (плоскость [110])
Под покрытием располагается слой жидкофазного легирования титана углеродом и бором, структура которого неоднородна как по глубине, так и вдоль поверхности легирования. Одним из характерных элементов структуры являются ячейки высокоскоростной кристаллизации. На микроэлектронограмме выявляются яркие рефлексы а-титана и большое количество рефлексов вторых фаз, принадлежащих графиту, карбиду и боридам титана. Вблизи границы раздела зоны легирования с основой сплава выявлено присутствие пластинчатой структуры а-титана. В объеме пластин и по их границам обнаруживаются включения борида титана состава ТІВ.
На глубине 100-110 мкм от поверхности вблизи границы с основой обнаруживается тонкий (2-10 мкм) промежуточный слой. На микроэлектронограмме присутствуют рефлексы а-титана и карбида титана ТІС. Вдоль границ дендритов, сформированных а-титаном, располагаются протяженные прослойки,
1719
содержащие наноразмерные включения: наблюдаются рефлексы а-титана, карбида титана ТІС и диффузные кольца, принадлежащие, по-видимому, графиту.
Рентгенофазовый анализ показал, что после комбинированной обработки упрочненный слой состоит из 63 % а-титана; 25 % ТІС; 4 % ТІВ2; 6 % ТІВ; 1-2 % B8C (по объему). Основной фазой поверхностного слоя является титан в а-модификации, а основной упрочняющей фазой - карбид титана ТІС. При этом параметры решетки для а-ТІ-а = 0,2952 + 0,0001 (0,2951) нм, с = 0,4691 + 0,0001 (0,4697) нм, с/а = 1,589 (1,587); для карбида титана ТІС - а = 0,4313 + 0,0001 (0,43285) нм (в скобках указаны табличные значения параметров кристаллической решетки фаз). В малых количествах присутствуют частицы боридов титана и карбид бора.
Микроструктурный и микродифракционный анализ также выявил в поверхностном слое присутствует а-титана и карбида титана ТІС (рис. 2). Включения карбида титана глобулярной формы имеют средние размеры ~300 нм. На глубине 5-8 мкм наблюдается двухфазный слой (а-ТІ и карбид титана ТІС). Размеры кристаллитов карбидной фазы изменяются в пределах 150-250 нм (рис. 3).
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение структуры слоя, непосредственно формирующего поверхность модифицирования: а - светлое поле; б - микроэлектронограмма (темными стрелками указан а-титан, светлой - карбид титана)
Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры слоя, расположенного на глубине 5-8 мкм
Исследования структуры и фазового состава слоя на глубине 40-45 мкм также выявили рефлексы двух основных фаз - а-ТІ и карбида титана ТІС. Эти фазы формируют структуру преимущественно пластинчатого (слоистого) типа, в которой слои а-ТІ чередуются со слоями ТІС. Ширина пластин ТІС 120-150 нм; пластин а-ТІ - 150-300 нм. В этом слое а-ТІ имеет дефектную структуру в виде фрагментов, размеры которых изменяются в пределах 100-300 нм.
Слой, расположенный на глубине 15-25 мкм, имеет более грубое строение, чем слой, расположенный на глубине 5 мкм; является двухфазным (а-ТІ и ТІС). Форма кристаллитов карбида титана глобулярная. Размеры кристаллитов изменяются в пределах 0,8-1,0 мкм.
На глубине ~40-45 мкм от поверхности обработки (рис. 4) выявляются рефлексы двух основных фаз -а-ТІ и ТІС. Они формируют структуру преимущественно пластинчатого (слоистого) типа, в которой слои а-ТІ чередуются со слоями ТІС. Ширина пластин карбида титана 120-150 нм; пластин а-ТІ - 150-300 нм. В этом слое а-ТІ имеет дефектную структуру в виде фрагментов, размеры которых изменяются в пределах 100-300 нм.
Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение структуры слоя, расположенного на глубине 40-45 мкм
Сравнивая особенности структурно-фазовых состояний зоны легирования до и после электроннопучковой обработки, можно отметить, что такая обработка приводит к объединению слоя покрытия и зоны легирования, выравниванию фазового состава до глубины 20-25 мкм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов Ю. Ф., Громов В.Е., Будовскис Е.А. и др. Структура, фазовый состав и свойства поверхностных слоев титана после электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработки. Новокузнецк: «Интер-Кузбасс», 2012. 435 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке госзаданием Минобрнауки РФ № 2.4807.2011.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Bashchenko L.P., Raykov S.V., Ivanov Y.F., Budovskikh E.A., Gromov V.E. STRUCTURAL-PHASE STATES OF HARDENING ZONE CP TITANIUM VT1-0 AFTER ELECTROEXPLOSIVE CARBOBORONIZING AND ELECTRON -BEAM TREATMENT
By methods electronic diffraction microscopy of thin foils and X-ray diffraction the structural and phase state of the surface layers of commercially pure titanium VT1-0 after electro-explosive сarboboronizing and subsequent electron-beam treatment are studied. It is shown that such treatment leads to hardening of the surface layer of a thickness of 20-25 ^m due to the formation of nano- and submicrocrystalline phases of carbide and titanium boride.
Key words: commercially pure titanium; electro-explosive сarboborоnizing; electron-beam treatment; structure; transmission electronic microscopy; X-ray analysis.
1720
