CC BY
53
УДК 620.179.119
С. Д. Васильков (к.т.н., доц.)1, А. В. Савин (ст., инж.)2, А. Б. Берберов (асп., инж.)2, Д. С. Афонин (асп., инж.) 2, А. В. Бескоровайный (асп., инж.)2
Диагностика остаточных напряжений в поверхностном слое изделий на основе титана с ионной имплантацией TiN
1 Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики,
кафедра технологии приборостроения 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д.49; тел. (812) 2335898, e-mail: vasilkov@niuitmo.ru 2Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина, кафедра физической и коллоидной химии 119331, г. Москва, Ленинский пр., 65, корп. 1; тел. (499) 2339589, e-mail: vinok_ac@mail.ru
S. F. Vasilkov1, A. V. Savin2, A. B. Berberov2, D. S. Afonin2, A. V. Beskorovayniy 2
Diagnostics of residual stresses in the surface layer of titanium-based products with ion implantation of TiN
1 National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics 49, Kronverkskiy pr., 197101, Saint-Petersburg, Russia; ph. +7(812) 2335898, e-mail: vasilkov@niuitmo.ru
2Gubkin Russian State University of Oil and Gas 65, Leninskii pr, 119991, Moscow, Russia; ph. +7 (499) 2339589, e-mail: vinok_ac@mail.ru
Получены эпюры остаточных напряжений в на-номодифицированном поверхностном слое ионной имплантации с Т1Ы изделий на основе титанового сплава ВТ6. Применены методы резистометрии и травления для изучения особенностей напряженно-деформированного состояния границы сред изделие—имплантирован-ный слой. Выявлен эффект упрочнения и определены величины напряжений сжатия.
Ключевые слова: метод резистометрии; метод травления; остаточные напряжения; ионная имплантация; титановый сплав.
Технологические механические остаточные напряжения (ОН) в изделиях из металлов возникают в результате внешних воздействий — механических, термических и термомеханических. При превышении допустимых ОН в поверхностном слое может возникать трещинооб-разование при высокой жесткости изделия, а при малой жесткости может возникать остаточная деформация, что приводит к уменьшению точности формы изделия. При допустимых ОН видимые изменения не происходят, но в реальных условиях эксплуатационные
нагрузки суммируются с ОН и могут привести
1
к разрушению изделия .
Одним из неразрушающих способов определения остаточных напряжений (ОН) в изделиях из металлов и сплавов является метод резистометрии, основанный на использовании
Дата поступления 29.10.12
Obtained diagrams of residual stresses in nano-modified surface layer of ion implantation based on TiN in titanium alloy VT6. Applied methods of resistometry and etching to study the characteristics of the stress-strain state of the boundary between media product—implanted layer. The effect of hardening was detected and the values of compressive stresses were determine.
Key words: residual stress; ion implantation; titanium alloy; resistometry method; a method of etching.
связи между электрическими и механическими свойствами металлических проводников и явления скин-эффекта в них. Реализация данного метода используется в приборе СИТОН-ТЕСТ 2.
Для реализации данного способа необходимо произвести следующие операции. Подать электромагнитное поле различных частот в исследуемое изделие путем пропускания тока через подающие электроды. Измерить силу поданного тока на каждой из частот. С помощью приемных электродов датчика принять напряжение сигнала-отклика с поверхности изделия. Вычислить распределение по глубине удельного электросопротивления изделия. Используя калибровочную зависимость, преобразовать электрические величины в распределение механических напряжений по глубине исследуемого изделия.
Материалы и методы
Для определения поверхностных остаточных напряжений в наномодифицированном поверхностном слое нами были произведены измерения с помощью механического метода Давиденкова-Биргера на автоматизированном комплексе МерКулОН «Тензор-3», где применяется унифицированный электролит для травления различных сталей и сплавов и их электропроводных покрытий при управляемом режиме травления. Точный расчет глубины стравленных слоев производится по количеству пропущенного электричества согласно закону Фарадея 3.
Образцы размером 60х40х10мм и 40х4х2мм для измерения ОН были двух видов: с наномодифицированным поверхностным слоем — ионная имплантация нитридом титана и исходная шлифованная поверхность из титанового сплава ВТ6 (модуль упругости 120 ГПа, плотность материала 4.5 г/см3). Сущность обработки поверхности ионной имплантацией 4 состоит во внедрении в кристаллическую решетку изделия ионизированных атомов мишени и бомбардирующих ее ионов реактивного газа на глубину от сотен долей микрона до 1 мкм 5. При этом значительно изменяются свойства поверхности по глубине, например, слой с измененным химическим составом до 10 мкм, слой с измененной структурой до нескольких десятков микрон.
Также были взяты реальные изделия — лопатки с модифицированным слоем, при этом некоторые из них изменили геометрию. Предполагалось, что данный слой мог повлиять на данное поведение. Фотография исходной поверхности представлена на рис. 1,а — видны борозды линий механообработки. На рис. 1,б представлена поверхность образца с покрытием. Видны следы механообработки с нанесенным покрытием желтого цвета.
г*
а
б
Рис. 1. Исходная поверхность образца (а) и после ионной имплантации (б)
Результаты и их обсуждение
Травление нескольких областей показало, что глубина наномодифицированного слоя составляет 7—10 мкм, см. рис. 2. На фотографиях наблюдаются остатки непротравленного покрытия.
Рис. 2. Протравленная поверхность образца, глубина слоя 7—10 мкм
При оценке интегрального эффекта влияния ионной имплантации наномодифициро-ванного слоя на глубине до 100 мкм с применение метода резистометрии были получены результаты, представленные на рис. 3.
Далее представлены результаты измерений, полученных с помощью метода травления. На рис. 4 представлены эпюры остаточных напряжений на исходных образцах и их среднее значение.
На рис. 5 приведены эпюры остаточных напряжений на образцах с покрытиями и сред-
5,00 ■ 4,00 ■ 3,00 -2,00 ■ 1,00 ■ 0,00 --1,00 ■ -2,00 ■ -3,00 --4,00 ■ -5,00 --6,00 -
7 ^-1%
16 19 22 25 28 31
-02импл_норм —■—05импл_норм 09импл_норм
-01 имплJeф7 -07 имплJeф9.5
-04 имплJeф10 08 имплJeф8
-03 неимп -
-06 неимп
10 неимп
5,00 -4,00 ■ 3,00 -2,00 -1,00 -0,00 ■ -1,00 ^ -2,00 ■ -3,00 --4,00 --5,00 ■ -6,00 ■
12 15 18 21
-02 импл_норм ■
-05 импл_норм
09 импл_норм
5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 -1,00 -2,00 -3,00 -4,00 -5,00 -6,00
6 9 У2/ 15 18 21 ^
-01 имплJeф7 -07 имплJeф9.5
-04 имплJeф10 08 имплJeф8
а)
б)
в)
N (л
Рис. 3. Зависимости электрического сопротивления (Ом) от номера измеряемой области лопатки: строка 1 — входная кромка; строка 2 — выходная кромка; а — исходные изделия; б имплантированные недеформ.ированны.е; в имплантированные деформированные изделия.
няя эпюра исходных образцов на глубину их травления (шкала напряжений урезана для сопоставимости масштабов).
На рис. 6 представлены эпюры остаточных напряжений на образцах с покрытиями до глубины залегания 30 мкм.
У неимплантированных лопаток имеет место достаточно большой разброс резистивных характеристик в областях измерения. Однако среднее сопротивление в поверхностном слое находится в пределах ±1 Ом. При таком малом сопротивлении упругое последействие не приводит к остаточным деформациям изделий.
У имплантированных лопаток, выполненных в поле допуска, резистивные характерис-
тики уложились достаточно плотно для каждой отдельной области, что свидетельствует об одинаковом упругом последействии данной группы лопаток. Увеличение среднего сопротивления в поверхностном слое до ±5 Ом свидетельствует об эффективном упрочняющем действии ионной имплантации.
У имплантированных лопаток, выполненных с предполагаемым браком, среднее сопротивление в поверхностном слое также находится в пределах ±5 Ом. Однако резистивные характеристики у выбранной группы лопаток имеют большой разброс данных — до 4 Ом в каждой отдельной области, особенно со стороны наружного профиля. В результате имеет
глубина залегания, мкм
Рис. 4. Эпюры остаточных напряжений на исходных образцах и их среднее значение
Рис. 5. Эпюры остаточных напряжений на образцах с покрытиями и средняя эпюра исходных образцов
о
-800
200
0
0
глубина залегания, мкм
Рис. 6. Эпюры остаточных напряжений на образцах с покрытиями в полном масштабе
место перераспределение напряженно-деформированного состояния, которое приводит к короблению за пределами поля допуска.
Переходя к диагностике остаточных напряжений в наномодифицированном слое в результате проведенных исследований можно утверждать, что на поверхности образцов нанесено покрытие глубиной залегания не более 8—10 мкм. Остаточные напряжения сжатия в покрытии имеют максимум на глубине 2 мкм, достигающий значения 2000—2500 МПа и уменьшающийся до нуля на глубине 10 мкм (рис. 6).
Эти напряжения сжатия компенсируются небольшими подповерхностными напряжениями растяжения до глубины 60 мкм.
В результате нанесения покрытия напряжения сжатия, исходной операции обработки релаксировали (рис. 5). Исчезли также небольшие растягивающие напряжения (до 100МПа) на поверхности.
Значительная величина остаточных напряжений сжатия на поверхности, несмотря на небольшую глубину их залегания, обеспечивает значительный эффект упрочнения и увеличение ресурса обработанной поверхности. В то же время, резкое изменение остаточных напряжений в наномодифицированном слое может уменьшать его долговечность.
В тоже время практические испытания показывают, что малая толщина наномодифи-цируемого имплантируемого слоя (7 мкм) выдерживает несколько сотен часов эксплуатации, что обеспечивает несущественное повышение ресурса лопаток. Устранить данную проблему может увеличение наномодифициру-емого слоя путем применения многослойного наноструктурного вакуумно-плазменного покрытия системы Т1-Т1К 6.
Литература
1. Биргер И. А. Остаточные напряжения.— М: Машгиз, 1963.- 233 с.
2. Кириллов Н. Б., Васильков С. Д., Новиков В. И. // Научно-технические ведомости СПбГПУ.-СПб: Изд-во СПбГПУ, 2010.- №2-2(100).-С.130.
3. Меркулова Н. С., Иванова Т. О., Гринченко М. И. // Упрочняющие технологии и покрытия.-2006.- №3.- С.46.
4. Васильев И. П., Злобин В. Н., Бондаренко В. И. Ионная имплантация катализаторов // Тонкие пленки в электронике: VIII Междунар. симп., 22-24 апреля 1997 г. - Харьков: Тр. укр. вакуумного общества, 1997.- Т. 3.- С. 70.
5. Пат. РФ № 2386726 / Околович Г. А., Гурьев А. М., Околович А. Г. // Б. И.- 20.04.2010.
6. Мухин В. С., Киреев Р. М., Шехтман С. Р. // Вестник УГАТУ. Технология машиностроения.- 2011.- Т.15, №4(44).- С.212.
-500
-1000
-1500
-2000
-2500
-3000
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг. при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение 14.B37.21.2062, тема «Получение нанодисперсных порошков, слоистых наноматериалов, феррито-вых пленок различного состава, исследование свойств получаемых материалов»).
