Способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к технологии производства титановых конструкций, и может быть использовано, например, в авиастроении. Термообработку проводят в активной газовой среде. Затем осуществляют частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, при этом удаляют часть газонасыщенного слоя, соответствующую удвоенной величине глубины его зоны h, обладающей повышенной хрупкостью. Глубину зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, определяют из условия , где K - эмпирический коэффициент, учитывающий кинетические свойства активной газовой среды, мкм2/с; Е - энергия активации; R - газовая постоянная; Т - температура термообработки в K; τ - время термообработки, с. Глубина зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, может быть определена по среднему расстоянию l между трещинами, образующимися в газонасыщенном слое при разрушении образца изгибом. Упрощают технологический процесс и получают изделия с высокой циклической прочностью. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к технологии производства титановых конструкций, и может быть использовано, например, в авиастроении для поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, изготовленных в условиях термообработки и воздействия активной газовой среды.

Известен способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, включающий отжиг в насыщающей атмосфере и последующее частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, о величине которого судят по оптимальному значению перепада микротвердости травленой поверхности по отношению к сердцевине, рассчитываемому по формуле (описание к патенту RU 2205890, МПК7 С22F 1/18. 2001/09/12).

Недостатками известного способа являются сложность и высокая трудоемкость используемого метода разрушающегого контроля для выявления изменений микротвердости обрабатываемой поверхности при различной глубине травления.

Задача изобретения - упрощение технологического процесса.

Технический результат от использования изобретения - снижение трудоемкости определения глубины травления.

Технический результат достигается тем, что в способе поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, включающем термообработку в активной газовой среде и последующее частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, удаляют часть газонасыщенного слоя, соответствующую удвоенной величине глубины его зоны h, обладающей повышенной хрупкостью.

Глубина зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, может быть определена из условия

где K - эмпирический коэффициент, учитывающий кинетические свойства активной газовой среды (диффузионную подвижность и растворимость активного газа в титане), мкм2/с; для азота при его парциальном давлении в смеси с аргоном K=3,5·107 мкм2/с; для кислорода при его парциальном давлении в воздухе K=1,35·1014 мкм2/с, Е - энергия активации, Дж/моль: для азота Е=203000 Дж/моль; для кислорода Е=244000 Дж/моль; R - газовая постоянная, равная 8,3144 Дж/моль·К; T - температура термообработки, K; Т=1173-1273 К, τ - время термообработки, с; τ≤7200 с.

Глубина зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, может быть определена по среднему расстоянию l между трещинами, образующимися на поверхности в зоне деформации образца, - свидетеля при его разрушении изгибом.

Сущность технического решений заключается в том, что в качестве основного параметра, определяющего глубину травления, выбирается глубина h зоны газонасыщенного слоя, обладающей повышенной хрупкостью (в дальнейшем - «хрупкая зона») и являющейся причиной зарождения усталостных трещин на наружной поверхности изделий из титана и титановых сплавов, изготавливаемых в условиях термообработки и воздействия насыщающей активной газовой среды. Численное значение глубины травления, обеспечивающей высокую циклическую прочность изделиям, выбирается равным удвоенной величине названного параметра, т.е. 2h, что подтверждено экспериментальными исследованиями. При этом численное значение глубины «хрупкой зоны» h может быть определено как по расчетной формуле исходя из условий термообработки, так и простейшим методом разрушающего контроля, основанным на деформировании образца свидетеля до разрушения.

Примеры осуществления способа повышения циклической прочности теплообменника из листового титанового сплава ВТ, включающего внешнюю оболочку толщиной 0,8 мм и внутреннюю толщиной 3 мм с ребрами каналов для охлаждающей жидкости, полученных фрезированием с шагом 4 мм при толщине ребра 1 мм, изготовленного в условиях диффузионной сварки по режиму:

- нагрев до температуры сварки Т=950°С;

- удельное сварочное давление, созданное активной газовой смесью, состоящей из 10% (мас.) азота и 90% (мас.) аргона; Р=2,0 МПа;

- изотермическая выдержка, необходимая для образования сварного соединения, в течение 60 минут.

Благодаря содержанию в активной газовой смеси азота при температурах диффузионной сварки в процессе взаимодействия титана с газообразным азотом на наружной поверхности теплообменника формируется азотированный слой с хрупкой зоной, повышающей сопротивление высокотемпературной деформации титана и уменьшающей деформацию конструкции.

По примеру 1 глубину «хрупкой зоны» h определяли, используя параметры режима диффузионной сварки и принимая расчетное значение эмпирического коэффициента К, исходя из состава газовой смеси, равным 3,5·107, по формуле (1). Согласно численному расчету

По вычисленному значению h азотированный слой на наружной поверхности теплообменника стравливали на глубину 2h=32 мкм.

По примеру 2 глубину «хрупкой зоны» h определяли (согласно известному способу описание SU 1183862, МКИ4 G01N 3/20, 27.04.84) по листовому образцу-свидетелю титанового сплава ВТ толщиной 0,8 мм, одну из поверхностей которого азотировали в процессе диффузионной сварки деталей теплообменника. Образец-свидетель по завершении процесса диффузионной сварки и охлаждения до комнатной температуры деформировали изгибом до разрушения и измеряли с помощью металлографического микроскопа среднее расстояние l между периодически расположенными трещинами, образовавшимися на азотированной поверхности. Величина составляла 655 мкм. Глубину «хрупкой зоны» h определяли по расчетной формуле h=0,24l=15,7 (мкм).

По вычисленному значению h азотированный слой на наружной поверхности теплообменника стравливали на глубину 2h=31,4 мкм.

1. Способ поверхностного упрочнения изделий из титана и титановых сплавов, включающий термообработку в активной газовой среде и последующее частичное удаление газонасыщенного слоя травлением, отличающийся тем, что удаляют часть газонасыщенного слоя, соответствующую удвоенной величине глубины его зоны h, обладающей повышенной хрупкостью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубину зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, определяют из условия

где K - эмпирический коэффициент, учитывающий кинетические свойства активной газовой среды, мкм2/с;

Е - энергия активации, Дж/моль;

R - газовая постоянная, Дж/(моль·К);

Т - температура термообработки в °K;

τ - время термообработки, с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубину зоны h, обладающей повышенной хрупкостью, определяют по среднему расстоянию l между трещинами, образующимися в газонасыщенном слое при разрушении образца изгибом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам изготовления стабильных поверхностных покрытий за счет катодного распыления, напыления, осаждения из ванных или MOCVD и может найти применение при защите и модификации поверхностей, в том числе со скрытыми структурами, а также при нанесении функциональных слоев, в частности, в гелиотехнике и технике материалов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам диффузионного насыщения поверхностных слоев материалов, и может быть использовано в авиационной, судостроительной и энергомашиностроительной промышленности.
Изобретение относится к производству труб, подвергаемых химико-термической обработке, и может быть использовано при изготовлении труб, работающих в условиях знакопеременной нагрузки при изгибе с внутренним давлением, в частности нефтепромысловых труб в бунтах.

Изобретение относится к химико-термической обработке полых изделий, в частности к индукционным установкам для газовой цементации металла внутренней поверхности труб с непрерывно-последовательным нагревом их в горизонтальном положении.

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных изделий, преимущественно внутренней поверхности труб, работающих в трущихся парах. .

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных изделий и может быть использовано при производстве трубчатых изделий с высокопрочным внутренним покрытием.

Изобретение относится к химикотермической обработке и может быть использовано для нанесения покрытий на внутренние поверхности полых деталей, преимущественно труб, работающих в условиях интенсивного износа, например труб бурильных установок.

Изобретение относится к химико термической обработке и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности. .

Изобретение относится к химико-термической обработке и может быть использовано в машиностроительной и химической отраслях промышленности в устройствах для термодиффузионного легирования изделий

Изобретение относится к области термической (объемной) и химико-термической (поверхностной) обработок деталей машин и инструмента в специализированном технологическом оборудовании

Изобретение относится к технологии улучшения функциональных деталей и способу получения износостойких и обладающих высокой усталостной прочностью поверхностных слоев на деталях из титановых сплавов и к изготовленным этим способом деталям

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов. Устройство для химико-термической обработки деталей в несамостоятельном тлеющем разряде содержит вакуумную камеру с подложкой для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, а положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод и второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, а положительным - с корпусом камеры. Термоэмиссионный электрод выполнен в виде состоящей из дисков ступенчатой фазовой зонной пластинки Френеля с изменяющейся на π фазой колебаний ее четных зон. Установлены математические формулы для определения величины ступеньки и радиусов дисков фазовой зонной пластинки Френеля. Обеспечивается повышение предела выносливости деталей. 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам повышения механических свойств приповерхностных слоев деталей машин из сплавов на основе железа с получением субмикро- или наноструктурированного состояния диффузионных слоев. Способ включает сборку пакета из попеременно чередующихся стальных листов, имеющих различный химический состав, вакуумирование и нагрев пакета, горячую деформацию пакета по высоте при температуре, находящей между значениями температур полиморфных превращений обоих сплавов, при этом после горячей деформации из пакета вырезают заготовки деталей таким образом, чтобы при последующем азотировании направление межслойных границ в заготовке детали совпадало с направлением диффузионного потока азота, после чего проводят азотирование с получением субмикро- и наноструктурированного состояния диффузионного приповерхностного слоя на поверхности детали. Способ позволяет повысить механические свойства приповерхностных слоев материала, формирующихся в результате азотирования, и, соответственно, увеличить долговечность деталей. 9 ил., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу и способу производства композиционного материала с заранее заданными свойствами, например элементов бронезащиты высокого класса, режущего элемента, элементов станочных конструкций. Композиционный материал на основе титанового сплава состоит из основного металла титанового сплава и модифицированного поверхностного слоя. 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 нее керамическими частицами TiNx, и/или TiCx, и/или TixNyCz. Лицевой слой имеет толщину от 0,08 мм до 0,5 мм и твердость не менее 62 HRC. Слой с металлокерамической структурой имеет толщину от 0,5 до 24 мм и твердость от 50 HRC до 74 HRC. Слой с переходной структурой 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. Способ изготовления композиционного материала включает нагрев поверхности титанового сплава высококонцентрированным движущимся источником тепловой энергии в газовой атмосфере, содержащей модифицирующие компоненты. 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. Материал характеризуется высокими значениями прочности, твердости, термической и коррозионной стойкости и износостойкости. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Наверх