RU2647963C2 - Composite material on base of titanium alloy and procedure for its manufacture - Google Patents

Composite material on base of titanium alloy and procedure for its manufacture Download PDF

Info

Publication number
RU2647963C2
RU2647963C2 RU2016131959A RU2016131959A RU2647963C2 RU 2647963 C2 RU2647963 C2 RU 2647963C2 RU 2016131959 A RU2016131959 A RU 2016131959A RU 2016131959 A RU2016131959 A RU 2016131959A RU 2647963 C2 RU2647963 C2 RU 2647963C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
titanium alloy
titanium
cermet
hardness
Prior art date
Application number
RU2016131959A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016131959A (en
Inventor
Гавриил Александрович Агарков
Михаил Германович Близник
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ТБ композит"
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 Общество с ограниченной ответственностью "ТБ композит" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ТБ композит"
Priority to RU2016131959A priority Critical patent/RU2647963C2/en
Publication of RU2016131959A publication Critical patent/RU2016131959A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2647963C2 publication Critical patent/RU2647963C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/02Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working in inert or controlled atmosphere or vacuum
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B7/00Layered products characterised by the relation between layers; Layered products characterised by the relative orientation of features between layers, or by the relative values of a measurable parameter between layers, i.e. products comprising layers having different physical, chemical or physicochemical properties; Layered products characterised by the interconnection of layers
    • B32B7/02Physical, chemical or physicochemical properties
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to composition and method of manufacturing a composite material with predetermined properties, for example high-class armor protection elements, cutting elements, machine components. Composite material based on a titanium alloy consists of a base metal of a titanium alloy and a modified surface layer. Modified surface layer consists of a face layer with a ceramic structure, layer with a cermet structure and a layer with a transition structure from the cermet layer to the base metal of the titanium alloy and contains a saturated solid solution of nitrogen in titanium with TiNx ceramic particles embedded in it, and/or TiCx, and/or TixNyCz. Face layer has a thickness of 0.08 mm to 0.5 mm and a hardness of at least 62 HRC. Layer with a cermet structure has a thickness of 0.5 to 24 mm and a hardness of 50 HRC to 74 HRC. Layer with a transition structure has a thickness of 5 to 10 % of thickness of cermet layer and a hardness of 60 to 30 HRC, reducing during the transition from the layer with the cermet structure to the base metal of the titanium alloy. Method of manufacturing a composite material includes heating surface of a titanium alloy with a highly concentrated moving source of thermal energy in a gas atmosphere, containing modifying components. Heating and remelting of the surface of the titanium alloy is carried out by a plasma submerged arc of direct action with a specific heat flux at the center of the spot from 104 to 105 W/cm2, current strength of 50–450 A, arc voltage from 20 to 40 V, and a travel speed of a thermal energy source relative to the surface of the titanium alloy from 0.003 to 0.01 m/s, and the gas atmosphere contains a mixture of argon with the addition of modifying nitrogen and/or carbon components in the form of a carbon-containing gas.
EFFECT: material is characterized by high strength, hardness, thermal and corrosion resistance and wear resistance.
8 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к составу и способу производства композиционного материала с заранее заданными свойствами, позволяющего производить конструкции, которые могут быть использованы для изготовления элементов конструкций различного назначения, например элементов бронезащиты высокого класса, режущего элемента различного назначения, элементов станочных конструкций, сочетающих высокую твердость, находящуюся на уровне инструментальных металлокерамический сплавов, обладающих прочностью на уровне углеродистых низко- и среднелегированных сталей, и высокой поверхностной термической стойкостью.The invention relates to the field of metallurgy and mechanical engineering, and in particular to the composition and method of production of composite material with predetermined properties, which allows producing structures that can be used for the manufacture of structural elements for various purposes, for example, high-class armor protection elements, cutting elements for various purposes, machine tool elements structures combining high hardness at the level of instrumental cermet alloys with strength Tew at the level of carbon low- and medium alloy steels, and high surface thermal resistance.

Использование в современной промышленности материалов с заданными свойствами продиктовано необходимостью улучшения эксплуатационных характеристик изделий и оборудования за счет применения новых конструкционных материалов, сочетающих в себе высокую твердость, износоустойчивость и температурную стойкость при сохранении удовлетворительной пластичности, а также имеющих малый удельный вес (авиационная промышленность, оборонная техника и средства индивидуальной защиты, энергомашиностроение, нефтегазовая, машиностроение, производство инструмента различного назначения, в том числе, металлорежущего, медицинского, бытового и др.). В настоящее время для таких целей широко применяются различные типы композиционных материалов как многослойных, так и дисперсно-упрочненных. Использование модифицированных металлических сплавов в качестве элементов бронезащиты, режущих инструментов, а также элементов станков целесообразно с точки зрения обеспечения соответствия изделий, произведенных с их использованием, требованиям, типично предъявляемым к такого рода изделиям.The use of materials with desired properties in the modern industry is dictated by the need to improve the operational characteristics of products and equipment through the use of new structural materials that combine high hardness, wear resistance and temperature resistance while maintaining satisfactory ductility, as well as having a low specific weight (aviation industry, defense equipment and personal protective equipment, power engineering, oil and gas, engineering, manufacturing of the tool for various purposes, including cutting, medical, consumer, and others.). Currently, for such purposes, various types of composite materials, both multilayer and dispersion hardened, are widely used. The use of modified metal alloys as elements of armor protection, cutting tools, as well as elements of machine tools is advisable from the point of view of ensuring the conformity of products manufactured with their use to the requirements typically presented for such products.

Титан и его сплавы обладают высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, пластичностью. Технологические процессы производства изделий различного назначения из титановых сплавов хорошо отработаны. Основным препятствием использования их для производства ряда изделий в вышеуказанных областях техники является невысокая поверхностная твердость титановых сплавов (практически не более 43 HRC), при этом возможное повышение твердости за счет объемной термообработки снижает пластичность, ударную вязкость, вязкость разрушения, что приводит к образованию трещин и дальнейшему разрушению материала.Titanium and its alloys have high specific strength, corrosion resistance, ductility. Technological processes for the production of various products from titanium alloys are well developed. The main obstacle to using them for the production of a number of products in the above technical fields is the low surface hardness of titanium alloys (practically no more than 43 HRC), while a possible increase in hardness due to volumetric heat treatment reduces ductility, impact strength, fracture toughness, which leads to cracking and further destruction of the material.

Ограничивают применение титановых сплавов и их относительно низкая стойкость к окислению поверхности при воздействии температур более 600°C на воздухе. При этих условиях происходит окисление сплавов с образованием на поверхности оксидов титана (TiO2 и Ti2O3) и подповерхностных слоев с повышенным содержанием кислорода, в которых происходит замещение твердых растворов α-стабилизаторов твердыми растворами кислорода.Limit the use of titanium alloys and their relatively low resistance to surface oxidation when exposed to temperatures above 600 ° C in air. Under these conditions, alloys are oxidized to form titanium oxides (TiO 2 and Ti 2 O 3 ) and subsurface layers with a high oxygen content on the surface, in which solid solutions of α-stabilizers are replaced by solid oxygen solutions.

Для целей придания твердости поверхностному слою металла известно применение тонкого защитного покрытия из нитрида, карбида или карбонитрида титана, полученное методом газоплазменного напыления на поверхность готовой детали. Указанный материал не позволяет в полной мере использовать преимущества тугоплавких соединений титана по причине незначительной толщины напыляемого слоя.For the purpose of imparting hardness to the surface layer of a metal, it is known to use a thin protective coating of titanium nitride, carbide or carbonitride obtained by gas-plasma spraying on the surface of a finished part. The specified material does not allow to fully use the advantages of refractory titanium compounds due to the small thickness of the sprayed layer.

Более перспективным с точки зрения повышения технологических свойств материала является дисперсное упрочнение титанового сплава тугоплавкими соединениями азота и/или углерода с титаном.More promising from the point of view of improving the technological properties of the material is dispersed hardening of a titanium alloy with refractory compounds of nitrogen and / or carbon with titanium.

Известен наноструктурный композиционный материал на основе чистого титана по патенту Российской Федерации на изобретение №2492256 (заявитель Панин С.В., МПК C22C 1/05, C22C 14/00, B22F 3/14, B82Y 30/00, заявка №2012120251 от 16.05.2012). Предлагаемый в указанном патенте материал относится, преимущественно, к сфере медицины и представляет собой композиционный материал, содержащий матрицу из чистого титана, с размером зерна ≤250 нм, дисперсно-упрочненную термически стабильными и химически устойчивыми по отношению к титану наноразмерными частицами карбида, борида или нитрида титана, с размером частиц 2-10 нм, при этом упрочняющие частицы равномерно распределены в объеме материала, а их общая доля в объеме материала составляет 0,05-0,50 об.%.Known nanostructured composite material based on pure titanium according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2492256 (applicant Panin S.V., IPC C22C 1/05, C22C 14/00, B22F 3/14, B82Y 30/00, application No. 20112120251 of 16.05 .2012). The material proposed in this patent relates mainly to the field of medicine and is a composite material containing a matrix of pure titanium, with a grain size of ≤250 nm, dispersively hardened by nanosized particles of carbide, boride or nitride, thermally stable and chemically resistant to titanium titanium, with a particle size of 2-10 nm, while the reinforcing particles are evenly distributed in the volume of the material, and their total share in the volume of the material is 0.05-0.50 vol.%.

Согласно описанию к указанному патенту материал получается путем образования механической смеси чистого титана с включениями нитридных и карбонитридных микрочастиц с последующим формированием материала посредством изостатического термического прессования, таким образом, полученный порошковый композит представляет собой твердые износостойкие компоненты в титановой связке. Полученный материал с содержанием упрочняющих компонентов до 0,5 об.% не может обеспечить высоких эксплуатационных свойств в условиях ударных нагрузок с высокой и сверхвысокой кинетической энергией в условиях высоких длительных статических и динамических нагрузок при всех типах нагружения (сжатие, растяжение, изгиб, кручение и т.д.). Следовательно, круг задач, для которых применяется композиционный материал, ограничивается исключительно использованием в медицине.According to the description of the said patent, the material is obtained by forming a mechanical mixture of pure titanium with inclusions of nitride and carbonitride microparticles, followed by the formation of the material by isostatic thermal pressing, so the resulting powder composite is a solid wear-resistant components in a titanium binder. The resulting material with the content of hardening components up to 0.5 vol.% Cannot provide high performance properties under shock loads with high and ultrahigh kinetic energy under high long-term static and dynamic loads under all types of loading (compression, tension, bending, torsion and etc.). Therefore, the range of tasks for which composite material is used is limited exclusively to use in medicine.

Известен способ получения износостойких и обладающих высокой усталостной прочностью поверхностных слоев на деталях из титановых сплавов и деталь, изготовленная этим способом по патенту Российской Федерации на изобретение №2407822 (заявитель Сименс АГ, МПК C23C 14/28, C23C 8/06, заявка №2007104837 от 08.07.2005). Согласно описанию и формуле изобретения к указанному патенту деталь из титанового сплава с износостойким поверхностным слоем, полученным путем лазерного легирования из газовой фазы. Износостойкий поверхностный слой имеет толщину tR в пределах от 0,1 до 3,5 мм и состоит из смеси мельчайших зерен α- и β-титана с присутствующими в титановом сплаве в виде твердого раствора внедрения элементами реакционного газа без образования нитридных, карбидных, оксидных или боридных фаз, имеет поверхностную твердость HS, измеренную на шлифованной поверхности, в пределах от 360 до 500 HV 0,5 или микротвердость HR, измеренную на полированном поперечном шлифе на глубине 0,1 мм от его поверхности, в пределах от 360 до 560 HV 0,1.A known method of obtaining wear-resistant and having high fatigue strength surface layers on parts made of titanium alloys and a part made by this method according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2407822 (applicant Siemens AG, IPC C23C 14/28, C23C 8/06, application No. 2007104837 from 07/08/2005). According to the description and claims to the said patent, a titanium alloy part with a wear-resistant surface layer obtained by laser alloying from the gas phase. The wear-resistant surface layer has a thickness tR ranging from 0.1 to 3.5 mm and consists of a mixture of the finest grains of α- and β-titanium with the elements of the reaction gas present in the titanium alloy as a solid solution without the formation of nitride, carbide, oxide or boride phases, has a surface hardness HS, measured on a polished surface, in the range from 360 to 500 HV 0.5 or microhardness HR, measured on a polished transverse section at a depth of 0.1 mm from its surface, in the range from 360 to 560 HV 0 ,one.

Способ исключает образование нитридных фаз за счет контроля парциального давления реакционного газа, а предусматривает только образование раствора внедрения. Таким образом, упрочнение ограничено как по глубине (на уровне сотен микрометров), так и по механическим свойствам.The method eliminates the formation of nitride phases due to the control of the partial pressure of the reaction gas, and provides only for the formation of a solution of introduction. Thus, hardening is limited both in depth (at the level of hundreds of micrometers) and in mechanical properties.

В качестве ближайшего аналога выбрано техническое решение, раскрытое в патенте на изобретение №2407822. Заявляемое техническое решение позволяет преодолеть указанные недостатки.As the closest analogue selected technical solution disclosed in the patent for invention No. 2407822. The claimed technical solution allows to overcome these disadvantages.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение твердости гетерогенного монолитного композиционного материала с сохранением пластичности, с поддержанием физических характеристик материала в условиях многократных ударных нагрузок с высокой кинетической энергией, и при механической обработке поверхности. Результатом такой комбинации свойств будет повышение износостойкости материала, улучшение ряда эксплуатационных характеристик, таких как твердость, прочность, повышенная термическая и коррозионная стойкость, а также повышение твердости и прочности изделий на требуемую глубину, обеспечивающие необходимую работоспособность конструкций.The problem to which the proposed technical solution is directed is to increase the hardness of a heterogeneous monolithic composite material while maintaining ductility, while maintaining the physical characteristics of the material under conditions of multiple shock loads with high kinetic energy, and during surface machining. The result of this combination of properties will be an increase in the wear resistance of the material, an improvement in a number of operational characteristics, such as hardness, strength, increased thermal and corrosion resistance, as well as an increase in the hardness and strength of the products to the required depth, ensuring the necessary performance of the structures.

Заявленный технический результат достигается тем, что композиционный материал на основе титанового сплава с модифицированной областью, состоящей из лицевого слоя имеющей керамическую структуру слоя с металлокерамической структурой и слоя с переходной структурой от слоя с металлокерамической структурой к титановому сплаву основного металла, содержит азот в виде насыщенного твердого раствора внедрения и керамические частицы TiNx, и/или TiCx и/или TixNyCz, причем лицевой слой с керамической структурой имеет толщину от 0,08 мм до 0,5 мм, твердость не менее 62 HRC с массовой долей керамических частиц более 15%, величиной не более 1,0 мкм, расположенных в титановой матрице с величиной зерен не более 240 мкм, слой с металлокерамической структурой имеет толщину от 0,5 до 24 мм, твердость от 50 HRC до 74 HRC с величиной керамических частиц менее 1,0 мкм и массовой долей от 2 до 14%, расположенных в титановой матрице с величиной зерен не более 500 мкм, слой с переходной структурой имеет толщину от 5 до 10% от толщины металлокерамического слоя, твердость от 60 до 30 HRC, снижающуюся при переходе от слоя с металлокерамической структурой к титановому сплаву основного металла.The claimed technical result is achieved in that the composite material based on a titanium alloy with a modified region consisting of a front layer having a ceramic structure of a layer with a cermet structure and a layer with a transition structure from a layer with a cermet structure to a titanium alloy of the base metal contains nitrogen in the form of a saturated solid interstitial solution and ceramic particles TiN x and / or TiC x and / or Ti x N y C z , the front layer with a ceramic structure having a thickness of from 0.08 mm to 0.5 mm, solid not less than 62 HRC with a mass fraction of ceramic particles of more than 15%, a value of not more than 1.0 μm, located in a titanium matrix with a grain size of not more than 240 μm, a layer with a cermet structure has a thickness of 0.5 to 24 mm, hardness from 50 HRC to 74 HRC with a ceramic particle size of less than 1.0 μm and a mass fraction of 2 to 14% located in a titanium matrix with a grain size of not more than 500 μm, a layer with a transition structure has a thickness of 5 to 10% of the thickness of the cermet layer , hardness from 60 to 30 HRC, decreasing upon transition from the layer with metallocer matic structure to the titanium alloy of the base metal.

Сходство предлагаемого технического решения с выбранным ближайшим аналогом заключается в том, что оно выполнено из титанового сплава с модифицированной областью.The similarity of the proposed technical solution with the selected closest analogue lies in the fact that it is made of a titanium alloy with a modified region.

В общем случае отличительными признаками предложенного технического решения являются то, что модифицированная область состоит из лицевого слоя с керамической структурой, слоя с металлокерамической структурой и слоя с переходной структурой от слоя с металлокерамической структурой к титановому сплаву основного металла, содержит азот в виде насыщенного твердого раствора внедрения и керамические частицы TiNx, и/или TiCx, и/или TixNyCz, причем лицевой слой с керамической структурой имеет толщину от 0,08 мм до 0,5 мм, твердость не менее 62 HRC с массовой долей керамических частиц более 15%, величиной не более 1,0 мкм, расположенных в титановой матрице с величиной зерен не более 240 мкм, слой с металлокерамической структурой имеет толщину от 0,5 до 24 мм, твердость от 50 HRC до 74 HRC с величиной керамических частиц менее 1,0 мкм и массовой долей от 2 до 14%, расположенных в титановой матрице с величиной зерен не более 500 мкм, слой с переходной структурой имеет толщину от 5 до 10% от толщины металлокерамического слоя, твердость от 60 до 30 HRC, снижающуюся при переходе от слоя с металлокерамической структурой к титановому сплаву основного металла.In the general case, the distinguishing features of the proposed technical solution are that the modified region consists of a front layer with a ceramic structure, a layer with a cermet structure and a layer with a transition structure from a layer with a cermet structure to a titanium alloy of the base metal, contains nitrogen in the form of a saturated interstitial solid solution and ceramic particles TiN x, and / or TiC x, and / or Ti x N y C z, wherein the facing layer with the ceramic structure has a thickness of from 0.08 mm to 0.5 mm, a hardness of at least 62 HRC with mass with a fraction of ceramic particles of more than 15%, a value of not more than 1.0 μm, located in a titanium matrix with a grain size of not more than 240 μm, a layer with a cermet structure has a thickness of 0.5 to 24 mm, hardness of 50 HRC to 74 HRC with ceramic particles of less than 1.0 μm and mass fractions of 2 to 14% located in a titanium matrix with a grain size of not more than 500 μm, the layer with the transition structure has a thickness of 5 to 10% of the thickness of the cermet layer, hardness of 60 to 30 HRC, decreasing during the transition from a layer with a cermet structure to t an ethanol alloy of the base metal.

В частном случае выполнения композиционный материал на основе титанового сплава с модифицированной областью отличается тем, что модифицированная область дополнительно содержит TiBx, TiyBx.In the particular case of performing a composite material based on a titanium alloy with a modified region, the modified region further comprises TiB x , Ti y B x .

В развитии указанного частного случая, композиционный материал на основе титанового сплава с модифицированной областью дополнительно отличается тем, что массовая доля TiBx, TiyBx в лицевом слое с керамической структурой более 10%, в слое с металлокерамической структурой от 2 до 10%.In the development of this particular case, a composite material based on a titanium alloy with a modified region is further characterized in that the mass fraction of TiB x , Ti y B x in the front layer with a ceramic structure is more than 10%, in the layer with a cermet structure from 2 to 10%.

Заявляемый материал представляет собой гетерогенную монолитную конструкцию, состоящую из четырех слоев: высокопрочного твердого износостойкого и термостойкого слоя с керамической структурой, относительно твердого и термостойкого металлокерамического слоя, слоя термического влияния, формирующегося в процессе химико-термической переработки материала и пластичного тыльного слоя, содержащего, в основном титан, притом что все слои прочно связаны между собой металлической связью. Сочетание в одном композиционном материале дисперсно-упрочненного металла слоев и многослойной структуры позволяет получить материал, сочетающий в себе положительные аспекты двух видов. Характер свойств готового материала определяется также дисперсией и размером фаз внедрения в матрицу сплава. При получении материала размер и объем дисперсной фазы может задаваться искусственно. Высокая дисперсия прочных тугоплавких включений позволяет получить высокую прочность материала, не приводя к излишней хрупкости. Размер фазы внедрения обусловлен особенностью процесса внедрения вещества из газовой фазы.The inventive material is a heterogeneous monolithic structure consisting of four layers: a high-strength solid wear-resistant and heat-resistant layer with a ceramic structure, a relatively solid and heat-resistant cermet layer, a thermal influence layer formed during the chemical-thermal processing of the material and a plastic back layer containing, in mainly titanium, despite the fact that all layers are firmly connected to each other by a metal bond. The combination of dispersively hardened metal layers and a multilayer structure in one composite material allows one to obtain a material that combines the positive aspects of two types. The nature of the properties of the finished material is also determined by the dispersion and size of the phases of incorporation into the alloy matrix. Upon receipt of the material, the size and volume of the dispersed phase can be set artificially. High dispersion of strong refractory inclusions allows to obtain high strength of the material, without leading to excessive brittleness. The size of the introduction phase is due to the peculiarity of the process of introduction of substances from the gas phase.

Проявляемая реакционноспособность титана с азотом, углеродом, бором основана на том, что титан является сильнейшим карбидооброзователем (Саррак В.И. Хрупкое разрушение материалов. УФН, т. LXVII, вып. 2, февраль 1959 г., стр. 338-361), он может составить очень твердую двухфазную эвтектику TiC по типу карбида железа Fe3C (цементит), только матрицей будет являться не железо, а титан. Нитрид титана и карбонитрид титана образуется по такой же схеме и имеет близкие свойства. В основе прочности керамики и металлической матрицы лежат разные физические явления. Прочность керамики обусловлена энергетикой образования свободной поверхности (теория Гриффита), металлической матрицы, наличием дислокации, но оба механизма связаны с величиной зерна, чем оно меньше, тем материал прочней (Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами. В.П. Жедь и др. Справочник. М., Машиностроение, 1987 г.).The manifested reactivity of titanium with nitrogen, carbon, and boron is based on the fact that titanium is the strongest carbide former (Sarrak V.I. Fragile Fracture of Materials. UFN, vol. LXVII, issue 2, February 1959, pp. 338-361), it can make up a very solid biphasic TiC eutectic like iron carbide Fe 3 C (cementite), only the matrix will be not iron, but titanium. Titanium nitride and titanium carbonitride are formed according to the same scheme and have similar properties. The strength of ceramics and the metal matrix are based on different physical phenomena. The strength of ceramics is determined by the energy of free surface formation (Griffith theory), a metal matrix, the presence of a dislocation, but both mechanisms are related to the grain size, the smaller it is, the stronger the material (Cutting tools equipped with superhard and ceramic materials. V.P. Zhed et al. . Reference. M., Engineering, 1987).

Керамические включения в модифицированном слое состоят из TiNx, и/или TiCx, и/или TixNyCz. В частном случае, керамические включения могут быть образованы соединением титана с бором (TiBx, TiyBx). Азот-, и/или углеродсодержащие, и/или борсодержащие соединения, при имплантировании в титановую матрицу в процессе кристаллизации образуют высокодисперсные тугоплавкие соединения с титаном. При механическом воздействии на материал, содержащий в составе стабильные соединения титана с азотом и/или углеродом, сопротивление пластической деформации происходит за счет торможения дислокаций на препятствиях в виде наноразмерных частиц. Образование указанных соединений происходит через их выделение из пересыщенного твердого раствора, образующегося в процессе переплава.Ceramic inclusions in the modified layer consist of TiN x and / or TiC x and / or Ti x N y C z . In the particular case, ceramic inclusions can be formed by combining titanium with boron (TiB x , Ti y B x ). Nitrogen- and / or carbon-containing and / or boron-containing compounds, when implanted into the titanium matrix during crystallization, form highly dispersed refractory compounds with titanium. During mechanical action on a material containing stable compounds of titanium with nitrogen and / or carbon, the plastic deformation resistance occurs due to the braking of dislocations on obstacles in the form of nanosized particles. The formation of these compounds occurs through their separation from the supersaturated solid solution formed during the remelting process.

Наружный слой с керамической структурой толщиной 0,08 мм до 0,5 мм обеспечивает защиту изделий из титановых сплавов от окисления при температуре до 900°C. Толщина слоя подобрана опытным путем и обеспечивается технологией процесса.The outer layer with a ceramic structure with a thickness of 0.08 mm to 0.5 mm protects titanium alloy products from oxidation at temperatures up to 900 ° C. The layer thickness is selected empirically and is provided by the process technology.

Металлокерамический слой содержит керамические частицы TiNx, и/или TiCx, и/или TixNyCz величиной менее 1,0 мкм, которые расположены в титановой матрице с величиной зерен не более 500 мкм. Увеличение размеров керамических частиц и размеров зерен титанового сплавы более указанных размеров вызывает нарушение стабильности механических свойств модифицированного слоя. При содержании керамических частиц менее 2% не обеспечивается минимальная твердость, равная 50 HRC. Содержание керамических частиц свыше 15% приводит к нежелательному снижению пластичности и вязкости разрушения материала.The cermet layer contains ceramic particles TiN x and / or TiC x and / or Ti x N y C z with a size of less than 1.0 μm, which are located in a titanium matrix with a grain size of not more than 500 μm. An increase in the size of ceramic particles and grain sizes of titanium alloys of more than these sizes causes a violation of the stability of the mechanical properties of the modified layer. When the content of ceramic particles is less than 2%, a minimum hardness of 50 HRC is not ensured. The content of ceramic particles of more than 15% leads to an undesirable decrease in the ductility and fracture toughness of the material.

При взаимодействии ионизированного азота с титаном образуется нитрид титана (TiN), характеризуются высокой тугоплавкостью, Тпл.=2930°C, огнеупорностью и химической стойкостью при повышенных температурах, твердостью. Высокодисперсные соединения нитрида титана состоят из отдельных дендритов, в основном кубической формы. Кристаллическая решетка, по сравнению с состоянием массивных тел, характеризуется уменьшенным межатомным расстоянием и статической неравновесностью, что предопределяет основные особенности технологических свойств нитрида, в частности высокую твердость.During the interaction of ionized nitrogen with titanium, titanium nitride (TiN) is formed, characterized by high refractoriness, T pl. = 2930 ° C, refractoriness and chemical resistance at elevated temperatures, hardness. The finely divided titanium nitride compounds are composed of individual dendrites, mainly cubic. The crystal lattice, in comparison with the state of massive bodies, is characterized by a reduced interatomic distance and static nonequilibrium, which determines the main features of the technological properties of nitride, in particular high hardness.

В системе титан-углерод существует одна карбидная фаза TiC с широкой областью гомогенности (37-50% ат. углерода). Карбид кристаллизуется в кубической сингонии, период кристаллической решетки зависит от содержания углерода и изменяется в пределах 0,4299-0,4329 нм. Соединение обладает высокой тугоплавкостью Тпл.=3420 К и микротвердостью, которые являются необходимыми параметрами для достижения заявленного технического результата.In the titanium-carbon system, there is one carbide phase TiC with a wide homogeneity region (37-50% atomic carbon). Carbide crystallizes in cubic syngony, the period of the crystal lattice depends on the carbon content and varies in the range of 0.4299-0.4329 nm. The compound has a high refractoriness T pl. = 3420 K and microhardness, which are necessary parameters to achieve the claimed technical result.

В системе Ti - В наиболее распространено соединении TiB2 (диборид титана). Атомы бора, в данном случае, образуют слои, чередующиеся со слоями атомов титана, образуя при этом графитоподобные плоские сетки. Соединение титана с бором обладает высокой тугоплавкостью Тпл.=3230°C и микротвердостью. Указанные свойства борида титана позволяют в частном случае решить поставленную задачу. Содержание соединений титана с бором в керамическом слое должно составлять не менее 10% для придания модифицированному материалу достаточной поверхностной прочности.In the Ti - B system, the most common compound is TiB 2 (titanium diboride). Boron atoms, in this case, form layers alternating with layers of titanium atoms, thus forming graphite-like flat networks. The compound of titanium with boron has a high refractoriness T pl. = 3230 ° C and microhardness. The indicated properties of titanium boride allow in the particular case to solve the problem. The content of titanium compounds with boron in the ceramic layer should be at least 10% to give the modified material sufficient surface strength.

Упрочнение лицевого слоя также достигается за счет модифицирования азотом, с получением высокопрочных структурных составляющих сплава типа α и α+β и за счет внедрения в титановую матрицу высокодисперсных соединений, описанных выше. Результат достигается путем реализации механизмов твердорастворного и дисперсионного упрочнения. Двухфазные титановые сплавы с нанокристаллической и субмикрокристаллической структурами обладают повышенными характеристиками твердости, прочности, сопротивления усталости, износостойкости.Hardening of the face layer is also achieved by modifying with nitrogen to obtain high-strength structural components of the alloy of the α and α + β type and by incorporating the finely dispersed compounds described above into the titanium matrix. The result is achieved by implementing solid-solution and dispersion hardening mechanisms. Two-phase titanium alloys with nanocrystalline and submicrocrystalline structures have increased characteristics of hardness, strength, fatigue resistance, wear resistance.

Толщина металлокерамического слоя может выполняться, в зависимости от необходимости (эксплуатационных требований к изделию), в интервале от 0,5 мм до 25,0 мм. При этом разброс величин значений твердости по толщине слоя не должен превышать более 30%. При превышении этого значения нарушается стабильность свойств слоя по твердости, слой перестает работать как единое целое. Защитные свойства модифицированного слоя резко снижаются особенно при импульсных сосредоточенных и распределенных нагружениях высокой интенсивности.The thickness of the cermet layer can be performed, depending on the need (operational requirements for the product), in the range from 0.5 mm to 25.0 mm In this case, the scatter of hardness values over the layer thickness should not exceed more than 30%. When this value is exceeded, the stability of the properties of the layer in terms of hardness is violated, the layer ceases to work as a whole. The protective properties of the modified layer are sharply reduced, especially under pulsed concentrated and distributed loads of high intensity.

Промежуточный слой толщиной не менее 5% от толщины металлокерамического слоя имеет плавный градиент изменения упругих свойств от менее упругого металлокерамического слоя к упругим свойствам соответствующим свойствам основного объема титанового сплава. Это позволяет избежать пиковых напряжений на границе слоев приводящих к образованию трещин.The intermediate layer with a thickness of at least 5% of the thickness of the cermet layer has a smooth gradient of the change in the elastic properties from the less elastic cermet layer to the elastic properties corresponding to the properties of the main volume of the titanium alloy. This avoids peak stresses at the boundary of the layers leading to the formation of cracks.

Титановый сплав основного металла с твердостью до 40 HRC состоит из не модифицированного титанового сплава. Титановые сплавы с указанным параметром твердости обладают относительно высокой пластичностью и хорошо подвержены термообработке. Нежелательно превышение указанного значения по твердости, поскольку в таком случае происходит снижение пластичности основного металлического сплава, способствуя образованию трещин при многократном воздействии ударных нагрузок на материал.A titanium alloy of a base metal with a hardness of up to 40 HRC consists of an unmodified titanium alloy. Titanium alloys with the indicated hardness parameter have a relatively high ductility and are well subjected to heat treatment. It is undesirable to exceed the indicated value in hardness, since in this case there is a decrease in the ductility of the main metal alloy, contributing to the formation of cracks during repeated exposure to shock loads on the material.

Наиболее подходящими сплавами, с точки зрения эффективности воздействия на них термообработкой и имплантирования тугоплавких высокодисперсных соединений, могут быть сплавы, отнесенные к мартенситному классу, согласно классификации, т.е. к сплавам с содержанием β-фазы в равновесном состоянии от 5 до 25%. В отожженном состоянии они имеют, как правило, хорошую пластичность. При их закалке из β-области происходят мартенситные β-α'- или β-αʺ-превращения. Наибольшее распространение в настоящее время получили промышленные сплавы этого класса ВТ6, ВТ14, ВТЗ-1, ВТ23, ВТ16. Из производимых за рубежом сплавов к данному классу относятся следующие: Ti-3Al-2,5V; Ti-6AI-4V; Ti-6Al-6V-2Sn и Ti-Al-2Sn-4Zn-4Mo.The most suitable alloys, from the point of view of the effectiveness of exposure to them by heat treatment and implantation of refractory highly dispersed compounds, may be alloys assigned to the martensitic class, according to the classification, i.e. to alloys with a β-phase content in equilibrium from 5 to 25%. In the annealed state, they usually have good ductility. When they are quenched from the β-region, martensitic β-α'- or β-αʺ-transformations occur. The most widely used are currently industrial alloys of this class VT6, VT14, VTZ-1, VT23, VT16. Of the alloys produced abroad, this class includes the following: Ti-3Al-2,5V; Ti-6AI-4V; Ti-6Al-6V-2Sn and Ti-Al-2Sn-4Zn-4Mo.

Образованная химико-термическим воздействием модифицированная область обладает стабильными параметрами микротвердости на толщину до 5 мм, по меньшей мере. Данные о микротвердости получены экспериментальным путем по методу Виккерса в соответствии с ГОСТ 2999-75 и приведены на Фиг. 1.The modified region formed by chemical thermal treatment possesses stable microhardness parameters for a thickness of up to 5 mm, at least. Microhardness data were obtained experimentally by the Vickers method in accordance with GOST 2999-75 and are shown in FIG. one.

Упрочнение сплавов на основе титана может осуществляться путем напыления тонкого слоя на поверхность сплава. Такой способ не может обеспечить значительное улучшение эксплуатационных характеристик по причине малой толщины напыляемого слоя. Область применения материалов, полученных таким способом, ограничена режущим инструментом и декоративными покрытиями.Hardening of titanium-based alloys can be carried out by spraying a thin layer on the surface of the alloy. This method cannot provide a significant improvement in performance due to the small thickness of the sprayed layer. The scope of materials obtained in this way is limited to cutting tools and decorative coatings.

Применяются также способы, позволяющие осуществить поверхностное упрочнение материалов на основе сплавов, в том числе и титанового, путем насыщения приповерхностного слоя азотом.Methods are also used that allow surface hardening of materials based on alloys, including titanium, by saturation of the surface layer with nitrogen.

В частности, известен способ поверхностного азотирования стальных изделий в тлеющем разряде, по патенту Российской Федерации №2276201 (заявитель ГОУ ВПО "УГАТУ", МПК C23C 8/36, заявка №2004132581 от 09.11.2004), который осуществляют путем вакуумного нагрева изделий в плазме азота повышенной плотности, формируемой между деталью и экраном за счет эффекта полого катода. Процесс азотирования проводят при температуре 700-750°C. После азотирования проводят поверхностную закалку охлаждением в потоке аргона со скоростью, превышающей критическую скорость закалки стали. Среди недостатков данного способа можно выделить: невозможность проведения азотирования титановых сплавов в плазме повышенной плотности, так как применение стальных экранов может приводить к попаданию распыленных частиц железа на обрабатываемую поверхность и блокированию диффузии азота внутрь обрабатываемой поверхности, снижение эффективности диффузии азота вглубь обрабатываемых изделий, так как азотирование происходит в среде азота, что приводит к образованию сплошной нитридной пленки на поверхности.In particular, there is a known method for surface nitriding of steel products in a glow discharge, according to the patent of the Russian Federation No. 2276201 (applicant GOU VPO "UGATU", IPC C23C 8/36, application No. 2004132581 dated 11/11/2004), which is carried out by vacuum heating of the products in plasma nitrogen of increased density formed between the part and the screen due to the hollow cathode effect. The nitriding process is carried out at a temperature of 700-750 ° C. After nitriding, surface quenching is carried out by cooling in an argon stream at a rate exceeding the critical rate of steel quenching. Among the disadvantages of this method, it is possible to distinguish: the impossibility of nitriding titanium alloys in high-density plasma, since the use of steel screens can lead to atomized iron particles getting on the treated surface and blocking the diffusion of nitrogen inside the treated surface, reducing the efficiency of nitrogen diffusion deep into the processed products, since nitriding occurs in a nitrogen environment, which leads to the formation of a continuous nitride film on the surface.

Известен также способ упрочнения титановых сплавов в газовой среде по патенту РФ №2365671 (заявитель ГОУ ВПО «ВГТУ», МПК C23C 8/80, заявка №2007145303 от 06.12.2007). Согласно формуле изобретения для поверхностного упрочнения проводится высокотемпературное азотирование при температурах 700-750°C в течение 10-30 мин. Недостатком данного метода также является малая толщина обрабатываемого слоя, поскольку упрочнение происходит за счет диффузии азота в приповерхностный слой.There is also known a method of hardening titanium alloys in a gaseous medium according to the patent of the Russian Federation No. 2365671 (applicant GOU VPO "VSTU", IPC C23C 8/80, application No. 2007145303 from 06.12.2007). According to the claims, for surface hardening, high-temperature nitriding is carried out at temperatures of 700-750 ° C for 10-30 minutes. The disadvantage of this method is also the small thickness of the processed layer, since hardening occurs due to the diffusion of nitrogen into the surface layer.

Термическое воздействие на материал остается значительно ниже температуры его плавления, кристаллическая структура материала не претерпевает существенных изменений, поэтому глубина проникновения азота незначительна, более того, на поверхности материала образуется нитридная пленка, препятствующая дальнейшей диффузии.The thermal effect on the material remains much lower than its melting temperature, the crystal structure of the material does not undergo significant changes, therefore, the penetration depth of nitrogen is insignificant, moreover, a nitride film is formed on the surface of the material, which prevents further diffusion.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ поверхностного упрочнения титановых сплавов на основе использования дуговых и плазменных источников тепла по патенту РФ №2427666 (заявитель ГОУ ВПО «СибГАУ», МПК C22F 1/18, C23C 8/36, заявка №2009147581 от 27.08.2011). Согласно формуле изобретения, способ включает нагрев поверхности изделия в среде азота, при этом нагрев осуществляют концентрированным тепловым источником с плотностью мощности 103-104 Вт/см2, силе тока 80-150 А и скорости перемещения источника относительно изделия 0,005-0,01 м/с.Closest to the proposed technical solution is a method of surface hardening of titanium alloys based on the use of arc and plasma heat sources according to RF patent No. 2427666 (applicant GOU VPO SibGAU, IPC C22F 1/18, C23C 8/36, application No. 2009147581 dated 27.08. 2011). According to the claims, the method includes heating the surface of the product in a nitrogen environment, the heating is carried out by a concentrated heat source with a power density of 103-104 W / cm 2 , a current of 80-150 A and a source moving speed relative to the product of 0.005-0.01 m / from.

В качестве недостатка указанного способа можно выделить тот факт, что упрочнение происходит за счет локального нагрева верхнего слоя титана концентрированным высокотемпературным источником тепловой энергии в атмосфере азота, и как результат, диффузного насыщения поверхностного слоя изделия. При этом температура нагрева обрабатываемой поверхности не превышает температуры ликвидуса. Таким образом, имеет место термодиффузионное насыщение поверхностного слоя азотом в виде раствора внедрения, с возможным образованием некоторого небольшого количества нитридов титана. Глубина азотированного слоя по патенту может достигать 1,5 мм, причем может иметь место большой градиент физических свойств по глубине обработки, упрочнение на большую глубину при данном способе невозможно. Также присутствует ограничение по твердости получаемого слоя, что связанно с невысокой концентрацией азота в растворе внедрения и низким содержанием нитридной составляющей. Недостатком способа является и малая толщина (0,5 мм) твердого слоя с твердостью материала до 10000 МПа HV, нитрида титана. Малые толщины твердых поверхностных слоев ограничивают работоспособность изделий из титановых сплавов при высоком уровне механического воздействия внешней среды.As a disadvantage of this method, one can single out the fact that hardening occurs due to local heating of the upper titanium layer by a concentrated high-temperature source of thermal energy in a nitrogen atmosphere, and as a result, diffuse saturation of the surface layer of the product. In this case, the heating temperature of the treated surface does not exceed the liquidus temperature. Thus, there is thermal diffusion saturation of the surface layer with nitrogen in the form of an interstitial solution, with the possible formation of a small amount of titanium nitrides. The depth of the nitrided layer according to the patent can reach 1.5 mm, and there may be a large gradient of physical properties along the processing depth, hardening to a greater depth with this method is not possible. There is also a limitation on the hardness of the obtained layer, which is associated with a low nitrogen concentration in the interstitial solution and a low content of nitride component. The disadvantage of this method is the small thickness (0.5 mm) of the solid layer with a material hardness of up to 10,000 MPa HV, titanium nitride. Small thicknesses of solid surface layers limit the performance of titanium alloy products with a high level of mechanical impact of the external environment.

Указанные недостатки устраняются применением заявляемого способа. Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является повышение содержания азота в обрабатываемом объеме материала наряду со значительным увеличением глубины обрабатываемого слоя, что приведет к повышению твердости модифицированной области и, как следствие, к повышенной износостойкости, снижению, хрупкости и повышению пластичности композиции в целом.These disadvantages are eliminated by the application of the proposed method. The problem to which the claimed method is directed is to increase the nitrogen content in the processed volume of the material along with a significant increase in the depth of the processed layer, which will lead to an increase in the hardness of the modified area and, as a result, to increased wear resistance, reduction, brittleness and plasticity of the composition as a whole .

Заявленный технический результат достигается путем применения способа, последовательно включающего нагрев поверхности титанового сплава высококонцентрированным движущимся источником тепловой энергии в газовой атмосфере, содержащей модифицирующие компоненты, причем нагрев производится плазменной погруженной дугой прямого действия при удельном тепловом потоке в центре пятна нагрева сжатой дугой от 104 до 105 Вт/см2, силе тока 50-450 А, напряжении дуги от 20 до 45 В и скорости перемещения источника тепловой энергии относительно поверхности титанового сплава от 0,003 до 0,01 м/с. Газовая атмосфера образована смесью аргона с добавлением азота и/или газа содержащего углерод.The claimed technical result is achieved by applying a method that sequentially includes heating the surface of a titanium alloy with a highly concentrated moving source of thermal energy in a gas atmosphere containing modifying components, the heating being carried out by a plasma submerged direct-acting arc with a specific heat flux in the center of the spot of heating by a compressed arc from 10 4 to 10 5 W / cm 2 , current 50-450 A, arc voltage from 20 to 45 V and the speed of movement of the heat source relative to the surface titanium alloy from 0.003 to 0.01 m / s. The gas atmosphere is formed by a mixture of argon with the addition of nitrogen and / or gas containing carbon.

Сходство предлагаемого способа изготовления композиционного материала на основе титанового сплава с модифицированной областью с ближайшим аналогом заключается в том, что предложенный способ включает нагрев поверхности титанового сплава высококонцентрированным движущимся источником тепловой энергии в газовой атмосфере.The similarity of the proposed method for manufacturing a composite material based on a titanium alloy with a modified region with the closest analogue lies in the fact that the proposed method involves heating the surface of a titanium alloy with a highly concentrated moving source of thermal energy in a gas atmosphere.

В общем случае предлагаемый способ изготовления композиционного материала на основе титанового сплава с модифицированной областью отличается от ближайшего аналога тем, что нагрев производится плазменной погруженной дугой прямого действия при удельном тепловом потоке в центре пятна нагрева сжатой дугой от 104 до 105 Вт/см2, силе тока 50-450 А, напряжении дуги от 20 до 45 В и скорости перемещения источника тепловой энергии относительно поверхности титанового сплава от 0,003 до 0,01 м/с, а газовая атмосфера образована смесью аргона с добавлением азота и/или газа содержащего углерод.In general, the proposed method for manufacturing a composite material based on a titanium alloy with a modified region differs from the closest analogue in that the heating is performed by a direct-acting plasma submerged arc with a specific heat flux in the center of the spot of heating by a compressed arc from 10 4 to 10 5 W / cm 2 , current strength of 50-450 A, arc voltage from 20 to 45 V and the velocity of the heat source relative to the surface of the titanium alloy from 0.003 to 0.01 m / s, and the gas atmosphere is formed by a mixture of argon with the addition of azo a and / or carbon-containing gas.

В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что формирование модифицированной области выполняется с перекрытием проходов на 45-60% от их ширины.In the particular case, this problem is additionally solved by the fact that the formation of the modified region is performed with overlapping passages by 45-60% of their width.

В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что после завершения процесса переплава проводят термообработку.In the particular case, this problem is additionally solved by the fact that after completion of the remelting process, heat treatment is carried out.

В развитии указанного частного случая указанная задача дополнительно решается тем, что термообработка проводится отжигом при температуре 800-850°C.In the development of this particular case, this problem is additionally solved by the fact that the heat treatment is carried out by annealing at a temperature of 800-850 ° C.

В развитии указанного частного случая указанная задача дополнительно решается тем, что термообработка проводится отпуском при температуре 600-650°C.In the development of this particular case, this problem is additionally solved by the fact that the heat treatment is carried out by tempering at a temperature of 600-650 ° C.

Процесс упрочнения происходит следующим образом. Плазменная дуга, горящая в смеси газов, содержащей азот, аргон и углекислый газ, перемещается по обрабатываемой поверхности со скоростью V, находящейся в диапазоне от 0,003 до 0,01 м/с, и осуществляет локальный нагрев и расплавления поверхности изделия. При нагреве и плавлении металла происходит насыщение жидкой ванны ионизированным азотом и углекислым газом, который диссоциирует на CO и O2, титан окисляется, а затем восстанавливается с образованием карбида. Азот растворяется в титановой матрице с образованием субнитрида и мононитрида титана, часть азота остается в матрице в виде насыщенного раствора внедрения в результате высокой скорости охлаждения.The hardening process is as follows. A plasma arc burning in a mixture of gases containing nitrogen, argon and carbon dioxide moves along the treated surface at a speed V in the range from 0.003 to 0.01 m / s and performs local heating and melting of the product surface. When the metal is heated and melted, the liquid bath is saturated with ionized nitrogen and carbon dioxide, which dissociates into CO and O 2 , titanium is oxidized, and then reduced to form carbide. Nitrogen dissolves in the titanium matrix to form titanium sub-nitride and mononitride, part of the nitrogen remains in the matrix as a saturated interstitial solution as a result of the high cooling rate.

В результате кристаллизации ванны жидкого металла образуется композит, состоящий из трех зон: поверхностного слоя насыщенного керамическими частицами в виде соединений TiNx, и/или TiCx, и/или TixNyCz, зона, представляющая металлокерамическую структуру с равномерно распределенными высокодисперсными нитридными, карбидными и карбонитридными включениями и зона термического влияния, представляющая собой переходную зону, в которой структура и свойства изменяются от металлокерамики до исходного сплава.As a result of crystallization of a liquid metal bath, a composite is formed consisting of three zones: a surface layer saturated with ceramic particles in the form of compounds TiN x and / or TiC x and / or Ti x N y C z , a zone representing a ceramic-metal structure with uniformly distributed finely dispersed nitride, carbide and carbonitride inclusions and a heat-affected zone, which is a transition zone in which the structure and properties change from cermet to the initial alloy.

Параметры технологического процесса обеспечивают удельный тепловой поток в центре пятна нагрева сжатой дугой на уровне 104-105 Вт/см2 в зависимости от режима. В целях получения слоя заданной глубины при переплаве сварочный ток варьируют в диапазоне от 50 до 350 А, при напряжении дуги от 20 до 45 В. При этом скорость перемещения теплового источника в направлении переплава изменяется в диапазоне от 0,003 до 0,01 м/с.The process parameters provide a specific heat flux in the center of the spot of heating by a compressed arc at the level of 10 4 -10 5 W / cm 2 depending on the mode. In order to obtain a layer of a given depth during remelting, the welding current varies in the range from 50 to 350 A, with an arc voltage of 20 to 45 V. The speed of movement of the heat source in the remelting direction varies in the range from 0.003 to 0.01 m / s.

Способ получения заявляемого композиционного материала основан на кратковременном интенсивном нагреве поверхности исходного материала до состояния разрушения кристаллической решетки сплава, т.е. переплав происходит при локальном нагреве поверхности до значительного превышения температуры ликвидуса. Применение модифицирующего газа (смеси газов) в совокупности с расплавлением слоя материала позволяет проводить глубокое легирование и модифицирование материала, что отличает его от способов диффузного насыщения, при которых глубина проникновения легирующих элементов значительно ограничивается плотной атомной структурой сплава. Локальный переплав с последующей кристаллизацией приводит к образованию высокодисперсных нитридных, карбидных или карбонитридных структур (в зависимости от состава модифицирующего газа или смеси газов). При повторной кристаллизации образуется многофазная структура с раствором внедрения и высокодисперсными включениями соединений титана с азотом и/или углеродом в матрице α и α+β титанового сплава.The method of obtaining the inventive composite material is based on short-term intense heating of the surface of the starting material to the state of destruction of the crystal lattice of the alloy, i.e. remelting occurs when the surface is locally heated to a significant excess of the liquidus temperature. The use of modifying gas (gas mixture) in conjunction with the melting of the material layer allows deep alloying and material modification, which distinguishes it from diffuse saturation methods in which the penetration depth of alloying elements is significantly limited by the dense atomic structure of the alloy. Local remelting with subsequent crystallization leads to the formation of highly dispersed nitride, carbide or carbonitride structures (depending on the composition of the modifying gas or gas mixture). Upon recrystallization, a multiphase structure is formed with an interstitial solution and highly dispersed inclusions of titanium compounds with nitrogen and / or carbon in the α and α + β matrix of the titanium alloy.

Глубина переплавляемого материала контролируется изменением величины удельного теплового потока в центре пятна нагрева сжатой дугой через прямое изменение силы сварочного тока и напряжения и скорости перемещения теплового источника.The depth of the remelted material is controlled by a change in the specific heat flux in the center of the spot of heating by a compressed arc through a direct change in the strength of the welding current and the voltage and velocity of the heat source.

Поскольку переплав осуществляется при локальном нагреве участка поверхности титанового сплава, для переплава всей поверхности необходимо осуществить перемещение высококонцентрированного источника тепловой энергии относительно поверхности. Сканирующий метод перемещения позволяет провести переплав всей поверхности последовательным прохождением вдоль дорожек на поверхности материала, как с взаимным перекрытием переплавляемых участков, так и без такового. В частном случае, взаимное перекрытие переплавляемых участков (проходов) составляет от 45 до 60% от их ширины. Указанный параметр позволяет получить модифицированную область примерно одинаковой глубины всего обрабатываемого материала. Очевидно, что в случае перекрытия проходов менее 45%, по причине особенности геометрической формы жидкой ванны при расплаве материала, не удастся достичь ровной горизонтальной границы слоев. Превышение параметра перекрытия в 60% означает повторный переплав основного объема уже модифицированной области, что нецелесообразно.Since remelting is carried out during local heating of a surface portion of a titanium alloy, for remelting the entire surface, it is necessary to carry out the movement of a highly concentrated source of thermal energy relative to the surface. The scanning method of movement allows remelting the entire surface by sequential passage along the tracks on the surface of the material, both with mutual overlapping of the remelted sections, and without it. In the particular case, the mutual overlap of the remelted sections (passages) is from 45 to 60% of their width. The specified parameter allows you to get a modified area of approximately the same depth of the entire processed material. Obviously, in the case of overlapping passages of less than 45%, due to the geometric shape of the liquid bath during the melt of the material, it will not be possible to achieve an even horizontal layer boundary. Exceeding the overlap parameter of 60% means re-remelting the main volume of the already modified region, which is impractical.

Последующий отжиг при температуре 800-850°C позволяет нормализовать структуру полученного материала, частично снизив термические напряжения. Температура ниже 800°C не позволяет достичь значительного улучшения свойств материала, а температура выше 850°C приводит к снижению пластичности тыльного слоя.Subsequent annealing at a temperature of 800-850 ° C allows you to normalize the structure of the obtained material, partially reducing thermal stresses. A temperature below 800 ° C does not allow a significant improvement in the properties of the material, and a temperature above 850 ° C leads to a decrease in the ductility of the back layer.

Используется отжиг с дальнейшим охлаждением с печью для уменьшения остаточных термических напряжений, при температурах 600-650°C, позволяющих минимизировать фазовые и структурные превращения в α, α+β сплавах.Annealing with further cooling with a furnace is used to reduce residual thermal stresses at temperatures of 600-650 ° C, which minimize phase and structural transformations in α, α + β alloys.

Скорость перемещения источника энергии относительно поверхности материала в пределах 0,003-0,01 м/с позволяет осуществить последовательный переплав всей поверхности титанового сплава.The speed of movement of the energy source relative to the surface of the material in the range of 0.003-0.01 m / s allows sequential remelting of the entire surface of the titanium alloy.

Сила тока и напряжение источника тепловой энергии устанавливается в зависимости от заданной глубины обрабатываемого слоя.The current strength and voltage of the heat energy source is set depending on the specified depth of the processed layer.

Присутствие защитного газа в процессе переплава обеспечивает отсутствие контакта защищаемого объекта, в данном случае подлежащего упрочнению титанового сплава, с воздухом, препятствуя образованию оксидов. В данном случае, предпочтительным для достижения технического результата защитным газом является аргон, однако способ предусматривает использование в том числе и смеси защитных газов.The presence of a protective gas during the remelting process ensures that there is no contact of the protected object, in this case, the titanium alloy to be hardened, with air, preventing the formation of oxides. In this case, argon is the preferred shielding gas to achieve the technical result, however, the method involves the use of a mixture of shielding gases.

Целесообразность применения в качестве источника тепловой энергии плазмотрона обусловлена его конструкционными свойствами, позволяющими проводить одновременно плавление и модификацию подвергаемого обработке титанового сплава. Кроме того, плазмотроны обладают широкими возможностями нагрева плазмы в диапазоне температур до (1-20)⋅103 К, что позволяет локально нагревать обрабатываемый сплав до температур, превышающих температуру плавления.The advisability of using a plasma torch as a source of thermal energy is due to its structural properties, allowing both melting and modification of the titanium alloy being processed. In addition, the plasma torches have wide possibilities for heating the plasma in the temperature range up to (1-20) ⋅10 3 K, which allows locally heating the processed alloy to temperatures exceeding the melting temperature.

Предпочтительность применения плазмотрона для сварки металлов обусловлена рядом конструктивных особенностей устройств такого типа: газ, выполняющий функции формирования плазменной дуги, определяет область локального переплава, а относительно невысокая скорость плазмы в сопле плазмотрона позволяет избежать выдувания металла из области переплава (жидкой ванны).The preference for using a plasma torch for welding metals is due to a number of design features of devices of this type: a gas that performs the function of forming a plasma arc determines the region of local remelting, and the relatively low plasma velocity in the nozzle of the plasma torch avoids blowing metal out of the remelting region (liquid bath).

Технология получения высокопрочного, твердого металлокерамического слоя представляет собой переплав исходного титанового сплава на типовом плазмотроне для сварки металлов с вольфрамовым электродом, содержащим подводы для смешения и подачи модифицирующего (N2), защитного и плазмообразующего газов (Ar) в зону расплава. Переплав осуществляется на подобранных режимах в зависимости от требуемой геометрии композиционного материала, запрограммированных свойств переплавленной металлокерамики и изменяется: скорость переплава Vсв в диапазоне от 10 до 30 м/час, на сварочном токе Iсв в зависимости от толщины переплавляемого слоя в диапазоне от 50 до 300 А, на напряжении Uдв диапазоне от 20 до 40 В. В частности, расход газов при нитридной модификации составляет: расход аргона, использованного в качестве плазмообразующего газа, QAr до 9 л/мин азота, использованного в качестве модифицирующего газа, QN до 40 л/мин, расход аргона, использованного в качестве защитного газа, QAr до 15 л/мин.The technology for producing a high-strength, hard cermet layer is a remelting of the initial titanium alloy on a typical plasma torch for welding metals with a tungsten electrode containing inlets for mixing and supplying modifying (N 2 ), protective and plasma-forming gases (Ar) into the melt zone. The remelting is carried out in the selected modes depending on the required geometry of the composite material, the programmed properties of the remelted cermet and varies: remelting speed V sv in the range from 10 to 30 m / h, at the welding current I sv depending on the thickness of the remelted layer in the range from 50 to 300 A, at a voltage U dv range from 20 to 40 V. In particular, the gas flow rate for nitride modification is: the flow rate of argon used as a plasma-forming gas, Q Ar up to 9 l / min of nitrogen used as of modifying gas, Q N up to 40 l / min, flow rate of argon used as a protective gas, Q Ar up to 15 l / min.

Заявляемое техническое решение позволяет получить композиционный материал со следующими характеристиками: твердость по Роквеллу 60-74 HRC, прочность не менее 1350 МПа, высокую жаропрочность, позволяющую материалу длительно работать при температуре 800-900°C, высокую коррозионную стойкость.The claimed technical solution allows to obtain a composite material with the following characteristics: Rockwell hardness 60-74 HRC, strength at least 1350 MPa, high heat resistance, allowing the material to work for a long time at a temperature of 800-900 ° C, high corrosion resistance.

Полученные результаты и характеристики материала подтверждаются проведенным комплексом исследований, основанных на методах электронной микроскопии, ренгеноструктурного анализа, измерений микротвердости и поверхностной твердости, испытаний на разрыв, а также баллистических испытаний образцов бронеэлементов, созданных из разработанных сплавов.The results and characteristics of the material are confirmed by a set of studies based on methods of electron microscopy, X-ray diffraction analysis, microhardness and surface hardness measurements, tensile tests, as well as ballistic tests of samples of armored elements created from developed alloys.

Предлагаемые изобретения поясняются следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

Фиг. 1. Распределение микротвердости в упрочненном слое, композиционного материала на основе сплава VST 2 (микротвердость приведена в единицах твердости по Роквеллу HRC).FIG. 1. The distribution of microhardness in the hardened layer of a composite material based on the VST 2 alloy (microhardness is given in units of Rockwell hardness HRC).

Фиг. 2. Структура композиционного материала на основе титанового сплава:FIG. 2. The structure of the composite material based on titanium alloy:

1 - слой с керамической структурой;1 - layer with a ceramic structure;

2 - слой с металлокерамической структурой;2 - layer with cermet structure;

3 - слой с переходной структурой;3 - layer with a transition structure;

4 - основной металл.4 - base metal.

Фиг. 3. Структура металлокерамического слоя переплавленного металла (увеличение 450 крат).FIG. 3. The structure of the cermet layer of the molten metal (increase 450 times).

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.The invention can be illustrated by the following examples.

Изделие с модифицированной областью на основе титанового сплава было испытано в составе многослойной бронированной преграды (бронепреграда).A product with a modified area based on a titanium alloy was tested as part of a multilayer armored barrier (armored barrier).

Листовую заготовку из псевдо- β-титанового сплава VST 2, плотностью 4,5 г/см3, толщиной 6,7 мм подвергают обработке поверхности на плазменной установке со следующими технологическими режимами: ток переплава составлял 180 А, при напряжении 25 В, скорость переплава 0,004 м/с, в смеси плазмообразующего газа, содержащей 50% азота, остальное аргон Ar, и смеси защитного газа, содержащей 65% азота, остальное аргон Ar. Состав модифицируемого сплава приведен в табл. 1A sheet blank of pseudo-β-titanium alloy VST 2, with a density of 4.5 g / cm 3 and a thickness of 6.7 mm, is subjected to surface treatment on a plasma installation with the following technological conditions: remelting current was 180 A, at a voltage of 25 V, remelting speed 0.004 m / s, in a mixture of a plasma-forming gas containing 50% nitrogen, the rest is argon Ar, and a mixture of a protective gas containing 65% nitrogen, the rest is argon Ar. The composition of the modified alloy is given in table. one

Figure 00000001
Figure 00000001

В состав бронепреграды входили также подложка, выполненная из алюминиевого сплава АМГ-6, толщиной 4 мм и пакет баллистической ткани Тексар ТТ, состоящей их 14 слоев, толщина пакета 6 мм. Толщина данной многослойной преграды находится в пределах 18 мм, поверхностная плотность составляет 44 кг/м2.The armored barrier also included a substrate made of aluminum alloy AMG-6, 4 mm thick and a package of ballistic fabric Texar TT, consisting of 14 layers, the thickness of the package was 6 mm. The thickness of this multilayer barrier is within 18 mm, the surface density is 44 kg / m 2 .

Многослойная бронепреграда была испытана двумя выстрелами из 7,62 мм снайперской винтовки Драгунова (СВД, ГРАУ 6В1), тип пули Б-32, скорость подхода первой пули - 776 м/с, второй - 803 м/с, дистанция 10 м, нормаль, нутация 0, температура комнатная. Выстрелы были произведены на расстоянии между собой 50 мм.The multi-layer armored obstacle was tested with two shots from a 7.62 mm Dragunov sniper rifle (SVD, GRAU 6V1), B-32 bullet type, first bullet approach speed - 776 m / s, second - 803 m / s, distance 10 m, normal, nutation 0, room temperature. Shots were fired at a distance of 50 mm from each other.

При обследовании многослойной бронепреграды установлено, что бронепреграда не пробита насквозь. Носики сердечников оказались разрушены.When examining a multilayer armored obstacle, it was found that the armored obstacle is not pierced through. Noses of the cores were destroyed.

Указанная многослойная бронепреграда на основе изделия с модифицированной поверхностью для защиты от воздействия среды обеспечивает:The specified multilayer armored barrier based on products with a modified surface to protect against environmental influences provides:

- защиту от нескольких пуль Б-32 калибра 7,62 мм СВД, при расстоянии между попаданиями в объекте 50 мм и менее;- protection against several B-32 bullets of a caliber of 7.62 mm SVD, with a distance between hits of 50 mm or less in an object;

- поверхностная плотность многослойной бронепреграды не более 44 кг/м2, этот критерий находиться на уровне лучших мировых образцов, изготовленных на основе керамики, в частности на основе карбида кремния;- the surface density of the multilayer armored barrier is not more than 44 kg / m 2 , this criterion is at the level of the best world samples made on the basis of ceramics, in particular, based on silicon carbide;

- применение гетерогенной пластины на основе титанового сплава в многослойной бронепреграде вместо керамики дает значительное снижение цены, например относительная стоимость конструкций элементов из титана будет более чем в два раза ниже по сравнению с конструкциями аналогичного назначения с применением карбида кремния.- the use of a heterogeneous plate based on a titanium alloy in a multilayer armored barrier instead of ceramic gives a significant reduction in price, for example, the relative cost of structures of elements from titanium will be more than two times lower compared to structures of a similar purpose using silicon carbide.

С использованием заявляемого способа было получено изделие с модифицированной областью на основе титанового сплава и использовано для изготовления металлорежущего инструмента - проходного токарного резца.Using the proposed method, a product with a modified area based on a titanium alloy was obtained and used for the manufacture of a metal-cutting tool - a through turning tool.

Листовую заготовку из α-титанового сплава, плотностью 4,5 г/см3, толщиной 9 мм подвергали обработке поверхности на глубину 4,5 мм на плазменной установке со следующими технологическими режимами: ток переплава составлял 200 А, при напряжении 26 В, скорость переплава 0,003 м/с в смеси плазмообразующего газа, содержащей 50% азота, остальное аргон Ar, и смеси защитного газа, содержащей 65% азота, остальное аргон Ar. Заготовку для резца получали с помощью установки водоабразивной резки металла.An α-titanium alloy sheet stock with a density of 4.5 g / cm 3 and a thickness of 9 mm was subjected to surface treatment to a depth of 4.5 mm in a plasma installation with the following technological conditions: remelting current was 200 A, at a voltage of 26 V, remelting speed 0.003 m / s in a mixture of a plasma-forming gas containing 50% nitrogen, the rest is argon Ar, and a mixture of a protective gas containing 65% nitrogen, the rest is argon Ar. The blank for the cutter was obtained using the installation of water-jet cutting of metal.

При исследовании полученного материала установлено, что микротвердость материала по сечению заготовки в эквиваленте шкалы HRC составила 54-67 единиц. Прочность сплава при испытании на разрыв составила 1450 МПа. Полученная структура представляет матрицу α-титанового сплава с равномерно распределенными высокодисперсными частицами нитрида титана.In the study of the obtained material, it was found that the microhardness of the material over the cross section of the workpiece in the equivalent of the HRC scale was 54-67 units. The tensile strength of the alloy during the tensile test was 1450 MPa. The resulting structure is an α-titanium alloy matrix with uniformly distributed fine particles of titanium nitride.

Испытания стойкости инструмента проводили при токарной обработке прутка из стали 30, при глубине резания 0,5 и 1 мм, скоростью подачи 0,4 и 0,2 мм/об, скорость вращения шпинделя составляла 400 мин-1. Оценка стойкости показала что, инструмент на основе композита имеет стойкость на уровне быстрорежущей стали Р6М5.Testing of tool life was carried out during turning of a bar of steel 30, with a cutting depth of 0.5 and 1 mm, a feed speed of 0.4 and 0.2 mm / rev, the spindle speed was 400 min -1 . Evaluation of resistance showed that, a tool based on a composite has resistance at the level of high-speed steel P6M5.

Композиционный материал с модифицированной областью на основе титанового сплава был использован для изготовления подкладки захвата штанги буровой установки.A composite material with a modified region based on a titanium alloy was used to make the lining of the drilling rod of the rig.

Листовую заготовку из α-титанового сплава, плотностью 4,5 г/см3, толщиной 8 мм подвергали обработке поверхности на глубину 4,05 мм на плазменной установке со следующими технологическими режимами: ток переплава составлял 180 А, при напряжении 25 В, скорость переплава 0,0035 м/с в смеси плазмообразующего газа, содержащей 45% азота, остальное аргон Ar, и смеси защитного газа, содержащую 65% азота, остальное аргон Ar. Заготовку для подкладки получали с помощью установки водоабразивной резки металла и оборудования абразивной обработки материалов.An α-titanium alloy sheet blank with a density of 4.5 g / cm 3 and a thickness of 8 mm was subjected to surface treatment to a depth of 4.05 mm in a plasma installation with the following technological conditions: remelting current was 180 A, at a voltage of 25 V, remelting speed 0.0035 m / s in a mixture of plasma-forming gas containing 45% nitrogen, the rest is argon Ar, and a mixture of protective gas containing 65% nitrogen, the rest is argon Ar. A blank for the lining was obtained using a water-jet cutting machine for metal and equipment for the abrasive processing of materials.

При исследовании полученного материала установлено, что микротвердость материала по сечению заготовки в эквиваленте шкалы HRC составила 58-65 единиц. Прочность сплава при испытании на разрыв составила 1350 МПа. Полученная структура представляет матрицу α-титанового сплава с равномерно распределенными высокодисперсными частицами нитрида титана.In the study of the obtained material, it was found that the microhardness of the material over the cross section of the workpiece in the equivalent of the HRC scale was 58-65 units. The tensile strength of the alloy during the tensile test was 1350 MPa. The resulting structure is an α-titanium alloy matrix with uniformly distributed fine particles of titanium nitride.

Проведенные испытания опытного образца показали высокую прочность и стойкость против абразивного износа, превышающую стойкость типовых захватов, выпускающихся промышленностью.The tests of the prototype showed high strength and resistance to abrasion, exceeding the resistance of standard grippers manufactured by the industry.

Предложенные изобретения могут быть осуществлены с использованием известных инструментов и материалов, могут найти, как следует из приведенных примеров выполнения, широкое применение в промышленности.The proposed invention can be implemented using well-known tools and materials, can find, as follows from the above examples of implementation, widespread use in industry.

Claims (8)

1. Композиционный материал на основе титанового сплава, состоящий из основного металла титанового сплава и модифицированного поверхностного слоя, отличающийся тем, что модифицированный поверхностный слой состоит из лицевого слоя с керамической структурой, слоя с металлокерамической структурой и слоя с переходной структурой от слоя с металлокерамической структурой к основному металлу титанового сплава и содержит насыщенный твердый раствор азота в титане с внедренными в него керамическими частицами TiNx, и/или TiCx, и/или TixNyCz, причем лицевой слой с керамической структурой и массовой долей керамических частиц более 15% величиной не более 1,0 мкм, расположенных в титановой матрице с величиной зерен не более 240 мкм, имеет толщину от 0,08 мм до 0,5 мм и твердость не менее 62 HRC, слой с металлокерамической структурой и массовой долей от 2 до 14% величиной менее 1,0 мкм, расположенных в титановой матрице с величиной зерен не более 500 мкм, имеет толщину от 0,5 до 24 мм и твердость от 50 HRC до 74 HRC, а слой с переходной структурой от слоя с металлокерамической структурой к основному металлу титанового сплава имеет толщину от 5 до 10% от толщины металлокерамического слоя и твердость от 60 до 30 HRC, снижающуюся при переходе от слоя с металлокерамической структурой к основному металлу титанового сплава.1. A composite material based on a titanium alloy, consisting of a base metal of a titanium alloy and a modified surface layer, characterized in that the modified surface layer consists of a front layer with a ceramic structure, a layer with a cermet structure and a layer with a transition structure from a layer with a cermet structure base metal comprises a titanium alloy and a saturated solid solution of nitrogen in titanium from TiN x ceramic particles embedded therein, and / or TiC x, and / or Ti x N y C z, wherein the front layer with a ceramic structure and a mass fraction of ceramic particles of more than 15% with a size of not more than 1.0 μm, located in a titanium matrix with a grain size of not more than 240 μm, has a thickness of 0.08 mm to 0.5 mm and a hardness of at least 62 HRC, a layer with a cermet structure and a mass fraction of 2 to 14% with a size of less than 1.0 μm, located in a titanium matrix with a grain size of not more than 500 μm, has a thickness of 0.5 to 24 mm and a hardness of 50 HRC to 74 HRC , and a layer with a transition structure from a layer with a cermet structure to the base metal of titanium alloy has a thickness of from 5 to 10% of the thickness of the cermet layer and a hardness of 60 to 30 HRC, declining at the transition from the structure of the sintered layer to the base metal of the titanium alloy. 2. Композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что модифицированный поверхностный слой дополнительно содержит TiBx, TiyBx.2. The composite material according to claim 1, characterized in that the modified surface layer further comprises TiB x , Ti y B x . 3. Композиционный материал по п. 2, отличающийся тем, что массовая доля TiBx, TiyBx в лицевом слое с керамической структурой более 10%, а в слое с металлокерамической структурой от 2 до 10%.3. The composite material according to claim 2, characterized in that the mass fraction of TiB x , Ti y B x in the front layer with a ceramic structure is more than 10%, and in the layer with a cermet structure from 2 to 10%. 4. Способ изготовления композиционного материала на основе титанового сплава, включающий нагрев поверхности титанового сплава высококонцентрированным движущимся источником тепловой энергии в газовой атмосфере, содержащей модифицирующие компоненты, характеризующийся тем, что нагрев и переплав поверхности титанового сплава осуществляют плазменной погруженной дугой прямого действия при удельном тепловом потоке в центре пятна от 104 до 105 Вт/см2, силе тока 50-450 А, напряжении дуги от 20 до 40 В и скорости перемещения источника тепловой энергии относительно поверхности титанового сплава от 0,003 до 0,01 м/с, а газовая атмосфера содержит смесь аргона с добавлением модифицирующих компонентов азота и/или углерода в виде содержащего углерод газа.4. A method of manufacturing a composite material based on a titanium alloy, comprising heating the surface of the titanium alloy with a highly concentrated moving source of thermal energy in a gas atmosphere containing modifying components, characterized in that the heating and remelting of the surface of the titanium alloy is carried out by a direct immersed plasma arc with a specific heat flux in the center of the spot is from 10 4 to 10 5 W / cm 2 , current strength is 50-450 A, arc voltage is from 20 to 40 V and the speed of movement of the source of thermal energy and relative to the surface of the titanium alloy from 0.003 to 0.01 m / s, and the gas atmosphere contains a mixture of argon with the addition of nitrogen and / or carbon modifying components in the form of a carbon-containing gas. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что источник тепловой энергии перемещают относительно поверхности с обеспечением перекрытия переплавляемых участков на 45-60% от их ширины.5. The method according to p. 4, characterized in that the source of thermal energy is moved relative to the surface, ensuring that the remelted sections overlap by 45-60% of their width. 6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что после переплава поверхности титанового сплава проводят термообработку.6. The method according to p. 4, characterized in that after remelting the surface of the titanium alloy, heat treatment is carried out. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что термообработку проводят путем отжига при температуре 800-850°С.7. The method according to p. 6, characterized in that the heat treatment is carried out by annealing at a temperature of 800-850 ° C. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что термообработку проводят путем отпуска при температуре 600-650°С.8. The method according to p. 6, characterized in that the heat treatment is carried out by tempering at a temperature of 600-650 ° C.
RU2016131959A 2016-08-03 2016-08-03 Composite material on base of titanium alloy and procedure for its manufacture RU2647963C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016131959A RU2647963C2 (en) 2016-08-03 2016-08-03 Composite material on base of titanium alloy and procedure for its manufacture

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016131959A RU2647963C2 (en) 2016-08-03 2016-08-03 Composite material on base of titanium alloy and procedure for its manufacture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016131959A RU2016131959A (en) 2018-02-08
RU2647963C2 true RU2647963C2 (en) 2018-03-21

Family

ID=61174256

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016131959A RU2647963C2 (en) 2016-08-03 2016-08-03 Composite material on base of titanium alloy and procedure for its manufacture

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2647963C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2731398C1 (en) * 2020-04-28 2020-09-02 Ооо "Нпп Титан-Композит" Multilayer cermet composite material and method of its production
RU2824444C1 (en) * 2024-03-14 2024-08-07 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Method of manufacturing cutting tool with wear-resistant corrosion-resistant coating

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110372410B (en) * 2019-07-31 2021-08-24 成都工业学院 Metal-ceramic composite material and preparation method thereof
CN114799216B (en) * 2022-04-14 2023-06-27 武汉大学 Method for heat treatment of titanium alloy
CN115927910B (en) * 2022-12-08 2024-05-28 湖南湘投轻材科技股份有限公司 Titanium-based composite material brake disc and preparation method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5443663A (en) * 1992-06-30 1995-08-22 Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College Plasma nitrided titanium and titanium alloy products
JP2008195994A (en) * 2007-02-09 2008-08-28 Kyoto Institute Of Technology Surface modification method for titanium product, and surface modified titanium product
RU2407822C2 (en) * 2004-07-09 2010-12-27 Сименс АГ Procedure for production of wear and fatigue resistant surface layers of items out of titanium alloy and item produced by this procedure
RU2427666C1 (en) * 2009-12-21 2011-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) Procedure for strengthening surface of items of titanium alloys
RU2562185C1 (en) * 2014-05-21 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Modification method of surface of items from titanium alloys in vacuum

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5443663A (en) * 1992-06-30 1995-08-22 Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College Plasma nitrided titanium and titanium alloy products
RU2407822C2 (en) * 2004-07-09 2010-12-27 Сименс АГ Procedure for production of wear and fatigue resistant surface layers of items out of titanium alloy and item produced by this procedure
JP2008195994A (en) * 2007-02-09 2008-08-28 Kyoto Institute Of Technology Surface modification method for titanium product, and surface modified titanium product
RU2427666C1 (en) * 2009-12-21 2011-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) Procedure for strengthening surface of items of titanium alloys
RU2562185C1 (en) * 2014-05-21 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Modification method of surface of items from titanium alloys in vacuum

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2731398C1 (en) * 2020-04-28 2020-09-02 Ооо "Нпп Титан-Композит" Multilayer cermet composite material and method of its production
RU2824444C1 (en) * 2024-03-14 2024-08-07 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Method of manufacturing cutting tool with wear-resistant corrosion-resistant coating

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016131959A (en) 2018-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2647963C2 (en) Composite material on base of titanium alloy and procedure for its manufacture
Adebiyi et al. Mitigation of abrasive wear damage of Ti–6Al–4V by laser surface alloying
JP7362595B2 (en) Methods and systems for improving surface fracture toughness of brittle materials and cutting tools produced by such methods
EP2076352A2 (en) Refractory metal tooling for friction stir welding
CA2650891C (en) A composite armor tile based on a continuously graded ceramic-metal composition and manufacture thereof
US7910219B1 (en) Composite armor tile based on a continuously graded ceramic-metal composition and manufacture thereof
Shalnova et al. Direct energy deposition of SiC reinforced Ti–6Al–4V metal matrix composites: Structure and mechanical properties
Chabak et al. Phase-structural composition of coating obtained by pulsed plasma treatment using eroded cathode of T1 high speed steel
Bartkowska et al. Microstructure, chemical composition, wear, and corrosion resistance of FeB–Fe 2 B–Fe 3 B surface layers produced on Vanadis-6 steel using CO 2 laser
Baker Laser surface modification of titanium alloys
Monisha et al. Titanium boride and titanium silicide phase formation by high power diode laser alloying of B4C and SiC particles with Ti: Microstructure, hardness and wear studies
LASERSKO-PLINSKIM Mechanisms of hardness increase for composite surface layers during laser gas nitriding of the Ti6Al4V alloy
DE4102495C2 (en)
Zhang Research on microstructure and property of Fe-VC composite material made by laser cladding
Oskolkova et al. Surface hardening of hard tungsten-carbide alloys: A review
Özbek Surface properties of AISI 4140 steel modified by pulse plasma technique
Monisha et al. Titanium boride coating by high power diode laser alloying of amorphous boron with titanium and its surface property investigations
Antipov et al. Structure, and Mechanical and Tribological Properties of Ti–Cr–C–Ni–Fe Composite Coatings
Yan et al. In situ laser surface coating of TiC metal-matrix composite layer
Adebiyi et al. Improved hardness of laser alloyed X12CrNiMo martensitic stainless steel
Fatoba et al. Influence of rapid solidification on the thermophysical and fatigue properties of laser additive manufactured Ti-6Al-4V alloy
Tuominen Engineering coatings by laser cladding-the study of wear and corrosion properties
He et al. Study of Microstructure and Properties of Laser Cladding Ni60-WC+ TiC Composite Coating
Masina et al. Microstructure and mechanical characterisation of TiAl coated on Ti64
Fedrizzi Production of steel matrix composites by mechanical milling and spark plasma sintering