Способ получения многослойной детали из титанового сплава

Использование: изобретение относится к способу получения многослойной детали из титанового сплава. Осуществляют ионно-имплантационное модифицирование листовой детали из титанового сплава путем ионной имплантации азота, углерода или бора с энергией 30-50 кэВ, плотностью тока 35-50 мкА/см² и флюэнсом 10¹⁶-10¹⁸ ион/см² и постимплантационного отжига при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10^-3-5×10^-3 Па в течение 1,5-3,5 ч. Затем модифицированный лист сгибают пополам и подвергают листовому прокату до образования внутреннего имплантационного слоя. Повторяют ионно-имплантационное модифицирование полученной двухслойной детали, которую затем сгибают и прокатывают. Упомянутый цикл повторяют до получения заданного количества слоев детали. Технический результат заключается в повышении эксплуатационных свойств листовых деталей, предварительно подвергнутых ионно-имплантационному модифицированию за счет повторения данного цикла до создания в поверхностных слоях повторяющегося упорядоченного распределения дислокаций полигонального типа. 4 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для упрочняющей обработки листовых деталей из титановых сплавов, работающих в сложных условиях нагружения, с целью повышения эксплуатационных свойств.

Известен способ модификации поверхностных слоев жаропрочных материалов путем облучения ионами высоких энергий, включающий в себя ионную очистку и имплантацию ионов азота с последующей термообработкой [патент РФ №2007501, С23С 14/48, 1991]. При этом способе модифицируются поверхностные слои деталей.

Недостатком такого способа является невозможность получения полигональной дислокационной структуры и модификация только поверхностных, неглубоких слоев деталей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ упрочняющей обработки деталей из жаропрочных нитридо-, карбидо- и боридообразующих материалов [авторское свидетельство СССР №1821495, С23С 14/31, 1993 г.], подвергнутых ионно-имплантационному модифицированию азотом, углеродом или бором, которое включает проведение ионной имплантации азотом, углеродом или бором с энергией 30-50 кэВ, плотностью тока 30-50 мкА/см² и флюэнсом 1016-1018 ион/см², постимплантационный отжиг при 450-550°C и давлении остаточных газов 10-3-5⋅10-3 Па в течение 1,5-3,5 ч, после чего на деталь воздействуют знакопеременной нагрузкой с числом циклов нагружения более 103-104 и напряжением, величину которого выбирают из условий работы деталей или равной 0,2-0,4 (Gпроч+Gтек), где Gпроч - предел прочности и Gтек - предел текучести материала детали.

Недостатки прототипа: необходимость создания специального оборудования, позволяющего совместить нанесение покрытия, ионную имплантацию и непрерывное нагружение образца; создание в поверхностных слоях значительных напряжений при нагрузке (выше предела текучести); получение необходимых свойств только на подповерхностном слое детали.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей обработки листовых деталей для повышения их эксплуатационных свойств.

Технический результат - повышение эксплуатационных свойств листовых деталей из титановых сплавов, предварительно подвергнутых ионно-имплантационному модифицированию, благодаря созданию в поверхностных слоях повторяющегося упорядоченного распределения дислокаций полигонального типа.

Поставленная задача решается способом упрочняющей обработки деталей посредством ионно-имплатационного модифицирования, заключающегося в ионной имплантации азота, углерода или бора с энергией 30-50 кэВ, плотностью тока 35-50 мкА/см² и флюэнсом 10¹⁶-10¹⁸ ион/см² и в постимплантационном отжиге при 450-550°C и давлении остаточных газов 10^-3-5⋅10^-3 Па в течение 1,5-3,5 ч, в котором в отличие от прототипа осуществляют обработку листовых деталей из титановых сплавов, при этом после ионно-имплантационного модифицирования лист сгибают пополам и подвергают листовому прокату до образования внутреннего имплантационного слоя, после чего повторяют ионно-имплантационное модифицирование на двухслойной детали, сгибают и прокатывают, повторяют данный цикл до получения необходимого количества слоев.

В результате этого, в поверхностных слоях толщиной свыше 40 мкм ионно-модифицированных деталей формируется повторяющаяся полигональная структура, которая характеризуется дискретными дислокационными построениями.

Технический результат изобретения достигается благодаря следующему. При ионно-имплантационном модифицировании азотом, углеродом и бором титановых сплавов формируются слои, обогащенные кислородом, углеродом, захватываемыми с поверхности, и имплантируемым элементом. При постимплатационной термообработке в поверхностных слоях образуются в соответствии с диаграммами фазового состояния равномерно распределенные преципитаты. Дислокации при знакопеременном нагружении затормаживаются у преципитатов и образуют упорядоченную дислокационную систему полигонального типа. Такая дислокационная структура, формируемая в поверхностных слоях, обусловливает повышение эксплуатационных характеристик листовых деталей.

Существо изобретения поясняется чертежами. На чертежах изображены схемы проведения упрочняющей обработки:

- на фиг. 1 изображена листовая деталь из титановых сплавов, подвергаемая ионно-имплантационному модифицированию азотом, углеродом или бором;

- на фиг. 2 - согнутый пополам лист подвергают листовому прокату до образования внутреннего имплантационного слоя;

- на фиг. 3 - повторение ионно-имплантационного модифицирования на двухслойной листовой детали;

- на фиг. 4 - согнутую пополам двухслойную листовую деталь подвергают листовому прокату;

- при необходимости данный цикл повторяют до получения необходимого количества слоев.

Пример конкретной реализации способа

Листовую деталь из титановых сплавов подвергают ионной имплантации азотом, углеродом или бором с энергией 30-50 кэВ, плотностью тока 30-50 мкА/см² и флюэнсом 10¹⁶-10¹⁸ ион/см², постимплантационному отжигу при 450-550°C и давлении остаточных газов 10^-3-5⋅10^-3 Па в течение 1,5-3,5 ч, затем лист сгибают пополам и подвергают листовому прокату до образования внутреннего имплантационного слоя, после чего повторяют ионно-имплантационное модифицирование, выдерживая те же режимы, на двухслойной детали. Модифицированную двухслойную деталь при необходимости достижения определенных показателей прочности сгибают и прокатывают снова. Повторяют данный цикл до получения необходимого количества слоев.

Создание полигональной структуры обеспечивает повышение прочностных свойств и снижение скорости развития усталостных трещин при циклических нагружениях.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить эксплуатационные характеристики листовых деталей из титановых сплавов.

Способ получения многослойной детали из титанового сплава, отличающийся тем, что осуществляют ионно-имплантационное модифицирование листовой детали из титанового сплава путем ионной имплантации азота, углерода или бора с энергией 30-50 кэВ, плотностью тока 35-50 мкА/см² и флюэнсом 10¹⁶-10¹⁸ ион/см² и постимплантационного отжига при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10^-3-5×10^-3 Па в течение 1,5-3,5 ч, затем модифицированный лист сгибают пополам и подвергают листовому прокату до образования внутреннего имплантационного слоя, после чего повторяют ионно-имплантационное модифицирование полученной двухслойной детали, которую затем сгибают и прокатывают, при этом упомянутый цикл повторяют до получения заданного количества слоев детали.