RU2470091C1 - Method of ionic implantation of surfaces parts from titanium alloys - Google Patents

Method of ionic implantation of surfaces parts from titanium alloys Download PDF

Info

Publication number
RU2470091C1
RU2470091C1 RU2011146434/02A RU2011146434A RU2470091C1 RU 2470091 C1 RU2470091 C1 RU 2470091C1 RU 2011146434/02 A RU2011146434/02 A RU 2011146434/02A RU 2011146434 A RU2011146434 A RU 2011146434A RU 2470091 C1 RU2470091 C1 RU 2470091C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ion
implantation
spot
parts
titanium alloys
Prior art date
Application number
RU2011146434/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Надежда Владимировна Учеваткина
Ольга Валерьевна Семендеева
Виктор Васильевич Овчинников
Антон Николаевич Кравченков
Ирина Рафаиловна Шляпина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет"
Priority to RU2011146434/02A priority Critical patent/RU2470091C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2470091C1 publication Critical patent/RU2470091C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly, to implantation of the surfaces of parts from aluminium alloys. Proposed method comprises processing part surface by laser beam focused to circular spot at specific radiation energy of 200-450 W/mm2. Then, said spot is displaced over part surface at the speed of 45-70 mm/s to implant nitrogen ions at dose of (2-6)·1017 ion/cm2.
EFFECT: higher operating performances.
5 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к способам ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов путем ионного легирования и может быть использовано при изготовлении изделий в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности, которые эксплуатируются при высоких нагрузках и температурах.The invention relates to methods for ion implantation of surfaces of parts made of titanium alloys by ion doping and can be used in the manufacture of products in engineering, aviation and other industries that are operated at high loads and temperatures.

Титановые сплавы занимают важное место среди современных конструкционных материалов, благодаря удачному сочетанию физических, механических и технологических свойств. Низкая плотность, высокая коррозионная стойкость, высокая удельная прочность и жаропрочность делают эти сплавы незаменимыми для авиационной и космической техники. В последнее время наметилась тенденция расширения области применения титановых сплавов, в частности в медицине для изготовления имплантатов и в автомобилестроении. Однако более широкое их использование сдерживается из-за неудовлетворительных триботехнических характеристик.Titanium alloys occupy an important place among modern structural materials, due to the successful combination of physical, mechanical and technological properties. Low density, high corrosion resistance, high specific strength and heat resistance make these alloys indispensable for aviation and space technology. Recently, there has been a tendency to expand the scope of titanium alloys, in particular in medicine for the manufacture of implants and in the automotive industry. However, their wider use is restrained due to unsatisfactory tribotechnical characteristics.

Известен ряд способов модификации поверхности деталей из титановых сплавов посредством ионного легирования для решения задачи повышения их износостойкости.A number of methods are known for modifying the surface of parts made of titanium alloys by ion doping to solve the problem of increasing their wear resistance.

Известен способ поверхностного легирования титана для повышения износостойкости путем ионной имплантации палладия с энергией Е=30-40 кэВ и дозой D=1·1016-5·1017 ион/см2, кроме того, способ, отличающийся тем, что предварительно имплантируют кислород с энергией Е=30-40 кэВ и дозой D=5·1017-1·1018 ион/см2, а затем палладий с энергией Е=30-40 кэВ и дозой D=5·1015-5·1016 ион/см2 (Авторское свидетельство СССР N1086827 МКИ C23C 14/48. Способ поверхностного легирования титана. Опубликовано 15.04.86).A known method of surface alloying of titanium to increase wear resistance by ion implantation of palladium with an energy of E = 30-40 keV and a dose of D = 1 · 10 16 -5 · 10 17 ion / cm 2 , in addition, a method characterized in that oxygen is preliminarily implanted with an energy of E = 30-40 keV and a dose of D = 5 · 10 17 -1 · 10 18 ion / cm 2 and then palladium with an energy of E = 30-40 keV and a dose of D = 5 · 10 15 -5 · 10 16 ion / cm 2 (USSR Author's Certificate N1086827 MKI C23C 14/48. Method of surface alloying of titanium. Published on April 15, 86).

Недостатком отмеченного способа является невозможность обеспечения износостойкости на требуемом уровне из-за малой глубины проникновения ионов и, как следствие, недостаточной степени упрочнения модифицированной поверхности.The disadvantage of this method is the inability to provide wear resistance at the required level due to the small depth of penetration of ions and, as a consequence, insufficient degree of hardening of the modified surface.

Известен способ ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов, заключающийся в имплантации ионов азота или углерода с энергией E=25-100 кэВ, плотностью тока I=10-100 мкА/см2, дозой облучения D≥5·1017 ион/см2 (Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. - М.: Металлургия, 1990. - 216 с.).A known method of ion implantation of the surfaces of parts made of titanium alloys, which consists in the implantation of nitrogen or carbon ions with an energy of E = 25-100 keV, current density I = 10-100 μA / cm 2 , the radiation dose D≥5 · 10 17 ion / cm 2 (Komarov F.F.Ion implantation in metals. - M.: Metallurgy, 1990. - 216 p.).

Недостатком отмеченного способа является невозможность обеспечения износостойкости на требуемом уровне из-за малой глубины проникновения ионов и недостаточной степени упрочнения модифицированной поверхности. Кроме того, поверхностный упрочненный при ионной имплантации слой достаточно быстро изнашивается при эксплуатации деталей в условиях трения скольжения с приложением значительной внешней нагрузки.The disadvantage of this method is the inability to provide wear resistance at the required level due to the small depth of penetration of ions and insufficient degree of hardening of the modified surface. In addition, the surface layer hardened during ion implantation wears out rather quickly when parts are used under sliding friction with a significant external load.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому способу является способ модификации поверхности титановых сплавов (патент РФ №2117073 по кл. C23C 14/48. Способ модификации поверхности деталей из титановых сплавов. / Гусева М.И.; Смыслов A.M.; Сафин Э.В.; Измайлова Н.Ф. Опубл. 10.08.1998), по которому имплантируют ионы азота и проводят стабилизирующий отжиг, отличающийся тем, что производят предварительную обработку ионами аргона с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 1-10 мА/см2 и дозой (1-2)·1019 ион/см2, затем имплантируют ионы азота с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 10-40 мА/см2 и дозой (1-2)·1019 ион/см2.The closest in technical essence (prototype) to the claimed method is a method for modifying the surface of titanium alloys (RF patent No. 2117073 according to class C23C 14/48. Method for modifying the surface of parts made of titanium alloys. / Guseva M.I .; Smyslov AM; Safin E .V .; Izmailova NF Publ. 10.08.1998), according to which nitrogen ions are implanted and stabilizing annealing is carried out, characterized in that they are pretreated with argon ions with an energy of 250-400 eV, an ion current density of 1-10 mA / cm2 and dose (1-2) 10 19 ion / cm 2, and then is implanted with nitrogen ions en rgiey 250-400 eV and an ion current density of 10-40 mA / cm 2 and dose (1-2) 10 19 ion / cm 2.

Данный способ способствует повышению эксплуатационных свойств изделий из титановых сплавов за счет увеличения степени упрочнения поверхности.This method helps to improve the operational properties of products made of titanium alloys by increasing the degree of surface hardening.

Существенным недостатком прототипа является большая длительность цикла обработки деталей, особенно форма которых отличается от плоской. Это существенно повышает трудоемкость технологического процесса в целом. В то же время, поверхностный упрочненный слой быстро изнашивается при эксплуатации деталей в условиях трения скольжения с приложением значительной внешней нагрузки, что зачастую приводит к схватыванию трущихся деталей.A significant disadvantage of the prototype is the long cycle time for processing parts, especially the shape of which differs from flat. This significantly increases the complexity of the process as a whole. At the same time, the surface hardened layer wears out quickly during the operation of parts under sliding friction with a significant external load, which often leads to the setting of rubbing parts.

Заявляемый способ ионной имплантации титановых сплавов обеспечивает повышение износостойкости при высоких показателях усталостной прочности.The inventive method of ion implantation of titanium alloys provides increased wear resistance at high fatigue strength.

Технический результат, на достижение которого направлен заявляемый способ, обеспечивается тем, что перед имплантацией ионами азота проводят поверхностную лазерную обработку деталей лучом, который фокусируют на обрабатываемой поверхности в круговое пятно с удельной мощностью излучения 200-450 Вт/мм2 и перемещают по ней со скоростью 45-70 мм/с, после чего детали имплантируют ионами азота с (2-6)·1017 ион/см2.The technical result, which is achieved by the claimed method, is ensured by the fact that prior to implantation with nitrogen ions, surface laser processing of the parts is carried out by a beam that is focused on the surface to be machined into a circular spot with a specific radiation power of 200-450 W / mm 2 and is moved along it with a speed 45-70 mm / s, after which the details are implanted with nitrogen ions with (2-6) · 10 17 ion / cm 2 .

Заявляемый способ включает в себя следующую последовательность операций:The inventive method includes the following sequence of operations:

- поверхностная лазерная обработка деталей лучом, который фокусируют в круговое пятно с удельной мощностью излучения 200-450 Вт/мм2 и перемещают по ней со скоростью 45-70 мм/с; лазерная обработка поверхности деталей из титановых сплавов на указанных режимах обеспечивает формирование поверхностного слоя, толщина которого составляет 0,01-0,03 от толщины обрабатываемой детали;- surface laser processing of parts with a beam that is focused into a circular spot with a specific radiation power of 200-450 W / mm 2 and is moved along it at a speed of 45-70 mm / s; laser surface treatment of parts made of titanium alloys in these modes provides the formation of a surface layer whose thickness is 0.01-0.03 of the thickness of the workpiece;

- облучение обрабатываемой поверхности детали из титанового сплава ионами азота с дозой имплантирования D(2-6)·1017 ион/см2.- irradiation of the treated surface of the titanium alloy part with nitrogen ions with an implantation dose of D (2-6) · 10 17 ion / cm 2 .

Подробнее сущность заявляемого способа поясняется чертежами:In more detail the essence of the proposed method is illustrated by drawings:

- на фиг.1 представлен график распределения микротвердости в поверхностном слое после поверхностной лазерной обработки сплава ВТ6 на различных скоростях перемещения пятна нагрева при удельной мощности излучения 350 Вт/мм2: 1-70 мм/с, 2-45 мм/с, 3-30 мм/с;- figure 1 presents a graph of the distribution of microhardness in the surface layer after surface laser treatment of the VT6 alloy at different speeds of movement of the heating spot at a specific radiation power of 350 W / mm 2 : 1-70 mm / s, 2-45 mm / s, 3- 30 mm / s;

- на фиг.2 представлена зависимость относительного удлинения (4), временного сопротивления разрыву (5) и предела текучести (6) от отношения глубины упрочненного слоя к общей рабочей толщине образца из титанового сплава ВТ6;- figure 2 presents the dependence of the relative elongation (4), temporary tensile strength (5) and yield strength (6) on the ratio of the depth of the hardened layer to the total working thickness of the VT6 titanium alloy sample;

- на фиг.3 - микроструктура поверхностного слоя титанового сплава ВТ6 после лазерной обработки в аргоне с содержанием кислорода 0,2% (альфированный слой, ×100);- figure 3 - the microstructure of the surface layer of titanium alloy VT6 after laser treatment in argon with an oxygen content of 0.2% (alpha layer, × 100);

- на фиг.4 - изменение износа имплантированных деталей из сплава ВТ6 без поверхностной лазерной обработки (7), подвергнутых поверхностной лазерной обработке (8), имплантированных ионами азота (9) и имплантированных ионами азота после поверхностной лазерной обработки (10);- figure 4 is a change in the wear of implanted parts made of VT6 alloy without surface laser treatment (7), subjected to surface laser treatment (8), implanted with nitrogen ions (9) and implanted with nitrogen ions after surface laser treatment (10);

- на фиг.5 - внешний вид дорожки трения образцов сплава ВТ6 после имплантации ионами азота (а) и после лазерной обработки и последующей имплантации ионами азота (б) при пути трения 800 м.- figure 5 is the appearance of the friction track of samples of VT6 alloy after implantation with nitrogen ions (a) and after laser treatment and subsequent implantation with nitrogen ions (b) with a friction path of 800 m

Проведение лазерной поверхностной закалки перед ионной имплантацией способствует созданию на поверхности детали слоя с повышенной микротвердостью и мелкозернистой структурой из-за высоких скоростей охлаждения. На формирование слоя с повышенной микротвердостью большое влияние оказывают параметры фокусирования и перемещения пятна нагрева лазерного луча.Laser surface hardening before ion implantation promotes the creation of a layer on the surface of the part with increased microhardness and fine-grained structure due to high cooling rates. The formation of a layer with increased microhardness is greatly influenced by the parameters of focusing and moving the heating spot of the laser beam.

При фокусировании лазерного луча на поверхности обрабатываемой детали в пятно в форме круга с удельной мощностью излучения более 450 Вт/мм2 наблюдается оплавление поверхности деталей. При оплавлении поверхности в поверхностном слое наблюдаются микротрещины, которые при работе деталей в условиях трения скольжения под нагрузкой приводят к повышенному износу. Для предотвращения оплавления поверхности приходится применять высокие скорости перемещения пятна нагрева, что существенно усложняет технологический процесс обработки и конструкцию применяемой технологической оснастки.When focusing the laser beam on the surface of the workpiece into a circle-shaped spot with a specific radiation power of more than 450 W / mm 2 , the surface of the parts is melted. When the surface is melted, microcracks are observed in the surface layer, which, when the parts work under conditions of sliding friction under load, lead to increased wear. To prevent surface melting, one has to use high speeds of moving the heating spot, which significantly complicates the processing process and the design of the used technological equipment.

В случае использования пятна нагрева с удельной мощностью излучения менее 200 Вт/мм2 (соответствует диаметру пятна более 4 мм при мощности луча 2,5 кВт) практически полностью исключается вероятность оплавления поверхности деталей во всем диапазоне скоростей перемещения пятна по поверхности. Однако в этом случае для обеспечения требуемой глубины упрочненного слоя необходимо снижать скорость обработки (скорость перемещения пятна нагрева по поверхности деталей), что существенно влияет на уровень напряжений в обработанном слое.In the case of using a heating spot with a specific radiation power of less than 200 W / mm 2 (corresponding to a spot diameter of more than 4 mm with a beam power of 2.5 kW), the probability of fusion of the surface of parts in the entire range of spot movement speeds over the surface is almost completely eliminated. However, in this case, to ensure the required depth of the hardened layer, it is necessary to reduce the processing speed (the speed of movement of the heating spot over the surface of the parts), which significantly affects the level of stresses in the treated layer.

Поэтому оптимальным следует считать диапазон значений удельной мощности в пятне нагрева 200-450 Вт/мм2, который соответствует диаметру пятна нагрева 2-3,2 мм. В данном диапазоне значений удельной мощности полностью предотвращается опасность оплавления поверхности обрабатываемых деталей, но сохраняется возможность осуществления процесса обработки с высокой производительностью.Therefore, the optimum should be considered the range of values of specific power in the heating spot 200-450 W / mm 2 , which corresponds to the diameter of the heating spot 2-3.2 mm In this range of specific power values, the danger of melting the surface of the workpieces is completely prevented, but the possibility of carrying out a processing process with high productivity remains.

Помимо удельной мощности в пятне нагрева на значения микротвердости и глубину упрочненного слоя существенное влияние оказывает скорость перемещения пятна нагрева по обрабатываемой поверхности.In addition to the specific power in the heating spot, the microhardness values and the depth of the hardened layer are significantly affected by the speed of movement of the heating spot along the treated surface.

Так при скорости перемещения пятна нагрева менее 45 мм/с наблюдается увеличение глубины обработанного слоя свыше 300 мкм (фиг.1). При такой глубине упрочненного слоя наблюдается проявление охрупчивающего действия лазерной обработки на механические свойства сплава ВТ6 и, особенно, на его относительное удлинение (фиг.2).So at a speed of movement of the heating spot less than 45 mm / s there is an increase in the depth of the treated layer over 300 microns (figure 1). At such a depth of the hardened layer, a manifestation of the embrittling effect of laser treatment on the mechanical properties of the VT6 alloy and, especially, on its elongation (FIG. 2) is observed.

При скорости перемещения пятна нагрева в диапазоне 45-70 мм/с глубина упрочненного слоя не превышает 150 мкм (фиг.1). При такой глубине упрочненного слоя наблюдается рост значения микротвердости в поверхностных областях детали и сохранение на высоком уровне значений механических свойств (фиг.2).When the speed of movement of the heating spot in the range of 45-70 mm / s, the depth of the hardened layer does not exceed 150 microns (figure 1). With such a depth of the hardened layer, an increase in the microhardness value is observed in the surface regions of the part and the mechanical properties are kept at a high level (Fig. 2).

Увеличение скорости перемещения пятна нагрева свыше 70 мм/с приводит к упрочнению поверхностного слоя и выкрошиванию его отдельных частиц при работе деталей в условиях трения скольжения под внешней нагрузкой. Такая высокая скорость перемещения пятна нагрева создает сложности в осуществлении технологического процесса обработки и значительно повышает требования к точности механизмов перемещения деталей.An increase in the speed of movement of the heating spot over 70 mm / s leads to hardening of the surface layer and the crumbling of its individual particles during operation of the parts under sliding friction under external load. Such a high speed of movement of the heating spot creates difficulties in the implementation of the technological process of processing and significantly increases the requirements for the accuracy of mechanisms for moving parts.

Поэтому оптимальным диапазоном значений скоростей перемещения пятна нагрева лазерного луча по поверхности обрабатываемой детали является 45-70 мм/с.Therefore, the optimal range of speeds for moving the spot of heating the laser beam over the surface of the workpiece is 45-70 mm / s.

Влияние на упрочнение титанового сплава поверхностной лазерной обработки при последующей обработке низкоэнергетичными ионами азота свидетельствует о важной роли наряду с образованием дислокационной структуры в приповерхностном слое, поверхностных эффектов, связанных с сорбционными процессами, которые активирует аргоновая плазма, возникающая в зоне контакта лазерного излучения с поверхностью детали.The effect on surface hardening of a titanium alloy by surface laser treatment during subsequent treatment with low-energy nitrogen ions indicates an important role, along with the formation of a dislocation structure in the surface layer, of surface effects associated with sorption processes that are activated by argon plasma arising in the contact zone of laser radiation with the surface of the part.

На степень упрочнения поверхностного слоя титановых сплавов при лазерной обработке большое влияние оказывает состав газовой среды, в которой она проводится. В качестве основы газовой среды был выбран инертный газ (аргон). В аргон добавляли кислород для формирования в поверхностном слое оксида титана в зоне воздействия лазерного луча. Было установлено, что при содержании кислорода в аргоне до 0,1% наблюдается формирование в поверхностном слое мелкодисперсных оксидов титана и легирующих элементов, которые приводят к повышению микротвердости. При содержании кислорода в аргоне более 0,2% наблюдается интенсивное окисление поверхностного слоя с образованием альфированного подслоя (фиг.3), приводящего к интенсивному выкрошиванию частиц при трении скольжения.The degree of hardening of the surface layer of titanium alloys during laser processing is greatly influenced by the composition of the gas medium in which it is conducted. Inert gas (argon) was chosen as the basis of the gaseous medium. Oxygen was added to argon to form titanium oxide in the surface layer in the area of the laser beam. It was found that when the oxygen content in argon is up to 0.1%, finely dispersed titanium oxides and alloying elements are formed in the surface layer, which lead to an increase in microhardness. When the oxygen content in argon is more than 0.2%, intense oxidation of the surface layer is observed with the formation of an alpha-coated sublayer (Fig. 3), which leads to intensive crushing of particles during sliding friction.

На усталостную прочность и износостойкость деталей из титановых сплавов после лазерной поверхностной обработки существенное влияние оказывают дозы имплантации ионов азота. При имплантации ионов азота с дозой менее 2·1017 ион/см2 наблюдается незначительный рост микротвердости поверхности (1,1…1,2 раза), что, вероятно, обусловлено перестройкой дефектов решетки появлением дополнительных вакансий, пор, межузельных атомов, способствующих аннигиляции несовершенств и разупрочнению, а также проявлением нежелательного эффекта распыления поверхности обрабатываемого образца.After the laser surface treatment, the fatigue strength and wear resistance of parts made of titanium alloys are significantly affected by the doses of nitrogen ion implantation. When implanting nitrogen ions with a dose of less than 2 · 10 17 ion / cm 2 , an insignificant increase in the surface microhardness is observed (1.1 ... 1.2 times), which is probably due to the rearrangement of lattice defects by the appearance of additional vacancies, pores, and interstitial atoms that contribute to annihilation imperfections and softening, as well as the manifestation of the undesirable effect of spraying the surface of the processed sample.

При имплантации ионов азота с дозой более 6·1017 ион/см микротвердость поверхности после обработки увеличивается в 2,5…2,8 раза при нагрузке на индентор, 0,1 H. Такой значительный рост микротвердости приводит к появлению микротрещин в поверхностном слое при испытаниях на износостойкость и выкрошиванию отдельных частиц оксидов и нитридов.Upon implantation of nitrogen ions with a dose of more than 6 · 10 17 ion / cm, the surface microhardness after processing increases by 2.5 ... 2.8 times with an indenter load of 0.1 H. Such a significant increase in microhardness leads to the appearance of microcracks in the surface layer at tests for wear resistance and crumbling of individual particles of oxides and nitrides.

Поэтому, с точки зрения увеличения износостойкости и усталостной прочности, оптимальным является диапазон доз имплантации ионов азота в пределах (2-6)·1017 ион/см2, при котором наряду с образованием дислокационной структуры в приповерхностном слое наблюдается протекание поверхностных эффектов, связанных с сорбционными явлениями.Therefore, from the point of view of increasing wear resistance and fatigue strength, the optimal range of doses of nitrogen ion implantation is in the range of (2-6) · 10 17 ion / cm 2 , in which, along with the formation of a dislocation structure in the surface layer, the occurrence of surface effects associated with sorption phenomena.

Для оценки влияния заявляемого способа ионной имплантации на износостойкость титанового сплава ВТ6 была выполнена имплантация плоских деталей толщиной 2 мм. Часть образцов перед имплантированием ионами азота подвергали лазерной поверхностной обработке. На образцах определяли величину коэффициента трения скольжения без смазки. Испытания проводились на специальном стенде, обеспечивающем заданное усилие прижатия контртела к поверхности образца и регистрацию момента страгивания контртела в контакте с исследуемым образцом.To assess the impact of the proposed method of ion implantation on the wear resistance of the VT6 titanium alloy, implantation of flat parts 2 mm thick was performed. Some samples were subjected to laser surface treatment before implantation with nitrogen ions. On the samples, the coefficient of sliding friction without lubrication was determined. The tests were carried out on a special bench, which provides a given force of pressing the counterbody to the surface of the sample and registration of the moment of friction of the counterbody in contact with the test sample.

Для определения предела усталости при изгибе были изготовлены плоские образцы толщиной 2 мм в соответствии с ГОСТ 25.502-79.To determine the fatigue limit during bending, flat samples were made with a thickness of 2 mm in accordance with GOST 25.502-79.

Помимо механических характеристик сплава ВТ6 после лазерной поверхностной закалки и имплантации был определен весовой износ образцов в зависимости от пути трения при нагрузке.In addition to the mechanical characteristics of the VT6 alloy, after laser surface hardening and implantation, the weight wear of the samples was determined depending on the friction path under load.

Результаты испытаний по определению влияния поверхностной лазерной обработки на механические и трибологические свойства сплава ВТ6 представлены в таблице 1.The test results to determine the effect of surface laser treatment on the mechanical and tribological properties of the VT6 alloy are presented in table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Результаты испытаний, представленные в табл.1, показывают, что осуществление лазерной обработки поверхности титанового сплава ВТ6 в заявляемом диапазоне параметров обеспечивает наиболее высокие механические и трибологические характеристики образцов.The test results presented in table 1 show that the implementation of laser surface treatment of VT6 titanium alloy in the claimed range of parameters provides the highest mechanical and tribological characteristics of the samples.

При лазерной обработке деталей из сплава ВТ6 на указанных выше оптимальных параметрах обеспечиваются после имплантации ионами меди и свинца низкие значения коэффициента трения - 0,08-0,10.During laser processing of parts made of VT6 alloy at the above optimal parameters, low values of the friction coefficient, 0.08-0.10, are ensured after implantation with copper and lead ions.

В таблице 2 проиллюстрировано влияние содержания кислорода в защитной аргоновой атмосфере при лазерной поверхностной обработке на механические и трибологические свойства образцов сплава ВТ6. Лазерная обработка выполнялась на скорости перемещения пятна нагрева 55 мм/с при удельной мощности энергии в пятне 350 Вт/мм2.Table 2 illustrates the effect of the oxygen content in a protective argon atmosphere during laser surface treatment on the mechanical and tribological properties of VT6 alloy specimens. Laser processing was performed at a heating spot moving speed of 55 mm / s with a specific power of 350 W / mm 2 in the spot.

Figure 00000002
Figure 00000002

Из полученных результатов испытаний следует, что оптимальное содержание кислорода в защитной атмосфере аргона при лазерной обработке титанового сплава ВТ6 составляет 0,1-0,15%.From the obtained test results it follows that the optimal oxygen content in the protective atmosphere of argon during laser treatment of VT6 titanium alloy is 0.1-0.15%.

В таблице 3 приведены результаты испытаний образцов сплава ВТ6 после лазерной обработки и последующей ионной имплантации азотом. Лазерная обработка выполнялась на скорости перемещения пятна нагрева 55 мм/с при удельной мощности энергии в пятне 350 Вт/мм2 при содержании кислорода в аргоне 0,12%.Table 3 shows the test results of samples of VT6 alloy after laser treatment and subsequent ion implantation with nitrogen. Laser processing was performed at a heating spot moving speed of 55 mm / s with a specific energy power of 350 W / mm 2 in the spot with an oxygen content of 0.12% in argon.

Таблица 3Table 3 № п/пNo. p / p Доза имплантации ионов азота D, ион/см2 The implantation dose of nitrogen ions D, ion / cm 2 Предел прочности при растяжении σв, МПаTensile strength σ in , MPa Относительное удлинение δ, %Elongation δ,% Микротвердость HV, МПаMicrohardness HV, MPa Предел усталости, МПа на базе 2·107 цикловFatigue limit, MPa based on 2 · 10 7 cycles Коэффициент тренияCoefficient of friction Весовой износ, 10-5 гWeight wear, 10 -5 g 1one 1·1017 1 · 10 17 10701070 1616 53505350 525525 0,100.10 220220 22 2·1017 2 · 10 17 10801080 1616 57505750 535535 0,080.08 170170 33 4·1017 4 · 10 17 10801080 15fifteen 65006500 550550 0,070,07 145145 4four 6·1017 6 · 10 17 10601060 15fifteen 68006800 550550 0,080.08 150150 55 7·1017 7 · 10 17 10101010 1313 72007200 510510 0,160.16 260260

Анализ топологии поверхности болтов после определения коэффициента трения показал, что при глубине упрочненного слоя более 0,03 от толщины образца из-за искажений в структуре поверхностного слоя сплава ВТ6, наблюдается выкрошивание поверхности.An analysis of the topology of the surface of the bolts after determining the friction coefficient showed that when the depth of the hardened layer is more than 0.03 of the thickness of the sample due to distortions in the structure of the surface layer of the VT6 alloy, surface crumbling is observed.

Испытания на износостойкость показывают, что весовой износ деталей, прошедших до имплантации поверхностную лазерную обработку, при пути трения 200 м примерно в 1,2-1,8 раза меньше, чем у контрольных образцов.Wear resistance tests show that the weight wear of parts that underwent surface laser treatment prior to implantation, with a friction path of 200 m, is approximately 1.2-1.8 times less than that of control samples.

Из представленных результатов испытаний следует, что использование заявляемого способа ионной имплантации обеспечивает повышение износостойкости, предела усталости и снижение коэффициента трения обработанных деталей из титановых сплавов при их эксплуатации в условиях трения скольжения.From the presented test results, it follows that the use of the proposed method of ion implantation provides increased wear resistance, fatigue limit and reduced friction coefficient of machined parts made of titanium alloys during their operation under sliding friction conditions.

Claims (1)

Способ ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов, включающий имплантирование ионов азота в поверхность сплава, отличающийся тем, что перед имплантацией поверхность детали обрабатывают лазерным лучом, который фокусируют в пятно формой круга, с удельной мощностью излучения 200-450 Вт/мм2, после чего пятно перемещают по обрабатываемой поверхности со скоростью 45-70 мм/с, а ионы азота имплантируют после лазерной обработки с дозой (2-6)·1017 ион/см2. The method of ion implantation of the surfaces of parts made of titanium alloys, comprising implanting nitrogen ions into the alloy surface, characterized in that before implantation, the surface of the part is treated with a laser beam that is focused into a spot in the form of a circle, with a specific radiation power of 200-450 W / mm 2 , after which the spot is moved along the treated surface at a speed of 45-70 mm / s, and nitrogen ions are implanted after laser treatment with a dose of (2-6) · 10 17 ion / cm 2 .
RU2011146434/02A 2011-11-17 2011-11-17 Method of ionic implantation of surfaces parts from titanium alloys RU2470091C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011146434/02A RU2470091C1 (en) 2011-11-17 2011-11-17 Method of ionic implantation of surfaces parts from titanium alloys

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011146434/02A RU2470091C1 (en) 2011-11-17 2011-11-17 Method of ionic implantation of surfaces parts from titanium alloys

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2470091C1 true RU2470091C1 (en) 2012-12-20

Family

ID=49256542

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011146434/02A RU2470091C1 (en) 2011-11-17 2011-11-17 Method of ionic implantation of surfaces parts from titanium alloys

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2470091C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2536843C1 (en) * 2013-09-05 2014-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" Ion implantation method of surfaces of parts from titanium alloy
RU2700228C1 (en) * 2018-08-20 2019-09-13 Научно-производственная ассоциация "Технопарк Авиационных Технологий" Method of ion-implosion treatment of blades of a blisk of a compressor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2079570C1 (en) * 1994-06-20 1997-05-20 Самарское моторостроительное производственное объединение им.М.В.Фрунзе Method of treating parts
RU2117073C1 (en) * 1997-07-08 1998-08-10 Уфимский государственный авиационный технический университет Method of modifying titanium alloy surface
EP1997930A1 (en) * 2007-05-29 2008-12-03 Pulse Technologies, Inc. Method for producing a coating with improved adhesion
RU2340704C2 (en) * 2007-02-01 2008-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Method for fabricated metallic product surface treatment
US7666522B2 (en) * 2003-12-03 2010-02-23 IMDS, Inc. Laser based metal deposition (LBMD) of implant structures

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2079570C1 (en) * 1994-06-20 1997-05-20 Самарское моторостроительное производственное объединение им.М.В.Фрунзе Method of treating parts
RU2117073C1 (en) * 1997-07-08 1998-08-10 Уфимский государственный авиационный технический университет Method of modifying titanium alloy surface
US7666522B2 (en) * 2003-12-03 2010-02-23 IMDS, Inc. Laser based metal deposition (LBMD) of implant structures
RU2340704C2 (en) * 2007-02-01 2008-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Method for fabricated metallic product surface treatment
EP1997930A1 (en) * 2007-05-29 2008-12-03 Pulse Technologies, Inc. Method for producing a coating with improved adhesion

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2536843C1 (en) * 2013-09-05 2014-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" Ion implantation method of surfaces of parts from titanium alloy
RU2700228C1 (en) * 2018-08-20 2019-09-13 Научно-производственная ассоциация "Технопарк Авиационных Технологий" Method of ion-implosion treatment of blades of a blisk of a compressor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Makuch et al. Laser surface alloying of commercially pure titanium with boron and carbon
Raghavan et al. Heat treatment of electron beam melted (EBM) Ti-6Al-4V: microstructure to mechanical property correlations
RU2470091C1 (en) Method of ionic implantation of surfaces parts from titanium alloys
RU2458182C1 (en) Method of constructional steel implantation by copper and plumbum ions
Šebek et al. The effects of laser surface hardening on microstructural characteristics and wear resistance of AISI H11 hot work tool steel
RU2117073C1 (en) Method of modifying titanium alloy surface
RU2482218C1 (en) Ion implantation method of surfaces of parts from structural steel
RU2634400C1 (en) Method of ion nitriding of cutting tool made of alloyed steel
Ecer et al. Friction and wear properties of nitrided and N+-implanted 17-4 PH stainless steel
RU2559606C1 (en) Method of chemical heat treatment of part from alloyed steel
RU2430991C1 (en) Procedure for ion implantation of surface of items of steel 30xgch2a
RU155002U1 (en) CATHODE FOR ION IMPLANTATION OF THE SURFACE OF PARTS FROM STRUCTURAL MATERIALS
JP2008138223A (en) Method for improving durability of die alloy tool steel
RU2581536C1 (en) Ion implantation method for surfaces of parts made from structural steel
RU2509174C1 (en) Method of implanting gas ions in metals and ions
Teh et al. A Study on the Surface Hardness Obtained by Nitriding with a Plasma Focus Machine
JP5664950B2 (en) Rolled titanium alloy screw
Okada et al. New surface modification method of bio-titanium alloy by eb polishing
Poltavtseva et al. The Effect of Thermal Annealing on Structural-phase Changes in the Ni–Ti Alloy Implanted with Krypton Ions
Reis et al. Comparation between Laser Surface Nitriding and Nitrogen Plasma Immersion Ion Implantation (N-PIII) on Creep Behavior of Ti-6Al-4V Alloy
RU2734826C1 (en) Method of laser processing of parts of rotation bodies from tool steels
Rakhadilov et al. Changing the structure and phasestates and the microhardness of the R6M5 steel surface layer after electrolytic-plasma nitriding
Hu et al. Experimental Investigation on Laser Peening of Additively Manufactured Ti6Al4V Alloy
RU2605394C1 (en) Method for chemical heat treatment of parts made from cobalt-based alloy
RU2627551C1 (en) Method of chemical heat treatment of workpiece from alloyed steel

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20161114

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171118