Помощь студентам в учебе
Модификация поверхности сплава на основе титана электронно-ионно-плазменным методом
|
Введение 10
1. Литературный обзор 13
1.1 Титан 13
1.2 Сплавы на основе титана 14
1.2.1 Классификация 14
1.2.2. Технически чистый титан ВТ1-00 и ВТ 1-0 15
1.2.3 Сплавы типа ВТ 6 15
1.3 Методы модифицирования поверхности титана и его сплавов 16
1.3.1 Обработка электронным пучком 16
1.3.2 Обработка ионным пучком 18
1.3.3 Обработка лазерным пучком 20
1.3.4 Плазменная обработка 22
2. Объекты и методы исследования 25
2.1 Модификация поверхности титана импульсным электронным пучком 33
2.2 Азотирование поверхности титана 35
3 Результаты исследований 37
3.1 Анализ образцов сплавов на основе титана, обработанных импульсным электронным пучком 37
3.2 Анализ азотированной структуры и свойств образцов титана 46
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 53
4.1 Оценка коммерческого потенциала исследования 53
4.2 Планирование работ по НИР 54
4.3 Составление сметы научного исследования 59
4.3.1 Амортизация 59
4.3.2 Электроэнергия 60
4.3.3 Полная заработная плата исполнителей 61
4.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 62
4.3.5 Накладные расходы 63
4.3.6 Формирование бюджета затрат научного исследования 63
4.4. Эффективность работы 64
4.4.1. Оценка научно-технического уровня НТИ 64
1 Социальная ответственность 70
1.1 Производственная безопасность 71
1.2 Экологическая безопасность 76
1.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 78
1.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 80 5.4.1.Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 80
Заключение 83
Список публикаций 85
Список цитируемых источников 86
1. Литературный обзор 13
1.1 Титан 13
1.2 Сплавы на основе титана 14
1.2.1 Классификация 14
1.2.2. Технически чистый титан ВТ1-00 и ВТ 1-0 15
1.2.3 Сплавы типа ВТ 6 15
1.3 Методы модифицирования поверхности титана и его сплавов 16
1.3.1 Обработка электронным пучком 16
1.3.2 Обработка ионным пучком 18
1.3.3 Обработка лазерным пучком 20
1.3.4 Плазменная обработка 22
2. Объекты и методы исследования 25
2.1 Модификация поверхности титана импульсным электронным пучком 33
2.2 Азотирование поверхности титана 35
3 Результаты исследований 37
3.1 Анализ образцов сплавов на основе титана, обработанных импульсным электронным пучком 37
3.2 Анализ азотированной структуры и свойств образцов титана 46
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 53
4.1 Оценка коммерческого потенциала исследования 53
4.2 Планирование работ по НИР 54
4.3 Составление сметы научного исследования 59
4.3.1 Амортизация 59
4.3.2 Электроэнергия 60
4.3.3 Полная заработная плата исполнителей 61
4.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 62
4.3.5 Накладные расходы 63
4.3.6 Формирование бюджета затрат научного исследования 63
4.4. Эффективность работы 64
4.4.1. Оценка научно-технического уровня НТИ 64
1 Социальная ответственность 70
1.1 Производственная безопасность 71
1.2 Экологическая безопасность 76
1.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 78
1.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 80 5.4.1.Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 80
Заключение 83
Список публикаций 85
Список цитируемых источников 86
Титан и его сплавы широко используются в промышленности и медицине благодаря таким своим свойствам как малый удельный вес, высокая коррозионная стойкость и биологическая совместимость. Однако невысокая твердость, а соответственно, и низкая износостойкость этих материалов являются одной из причин, ограничивающих их более широкое применение.
В большинстве случаев для улучшения механических и трибологических свойств материала достаточно повысить твердость не всей детали, а лишь ее поверхности. Основными, на современном этапе развития науки и техники, методами увеличения твердости поверхности титана и его сплавов являются метод осаждения покрытий, лазерная обработка, имплантация и метод диффузионного насыщения поверхностного слоя легирующими элементами[1-3].
В промышленности для азотирования широко используется тлеющий разряд, который имеет недостатки, обусловленные большим рабочим давлением и, вследствие этого, невозможностью проводить очистку поверхности образца плазмой. В связи с этим исследователи обращают внимание на другие типы разрядов, которые способны функционировать при сравнительно малом давлении (1 Па и ниже). Одним из таких разрядов является вакуумно-дуговой. Использование вакуумно-дугового разряда для ионизации газа осложняется наличием ионов металла и микрокапель в плазменном потоке. Известно несколько способов очистки плазменного потока от металла[4]. Одним из них является использование для азотирования альтернативного типа разрядов - несамостоятельного газового разряда. Такой тип разряда предполагает наличие внешнего источника ионизации (первичных электронов). Самым простым в реализации источником первичных электронов является термокатод [5].
Цель работы - разработка механизмов повышения трибологических и прочностных характеристик технически чистого титана и сплава на его основе ВТ-6 путем насыщения поверхностного слоя материала азотом в плазме газового разряда низкого давления и облучения импульсным электронным пучком.
В ИСЭ СО РАН разработаны импульсная электронно-пучковая установка, применяемая для облучения поверхности твердых тел, и плазмогенератор, используемый для азотирования. Обе эти разработки подразумевают использования уникальной технологии поверхностной обработки металлов и сплавов. Научная новизна работы объясняется тем, что используемые в работе установки для электронно-ионно-плазменной модификации по совокупности параметров являются уникальными.
Результаты исследований могут быть использованы в областях промышленности и техники, где основные эксплуатационные свойства детали определяются состоянием ее поверхности (пары трения, коррозия, циклические нагрузки и т.д.), а также высокие удельными характеристиками (удельный предел прочности и т.д.). В частности это может быть использовано в аэрокосмической и авиационной промышленности, машиностроении и кораблестроении.
Результаты, полученные в работе, были представлены на седьмой международной научно-практическая конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине» (ТПУ, 1-3 июня 2016)и на третьем всероссийском конкурсе научных докладов студентов «Функциональные материалы: разработка, исследование, применение» (ТПУ, 26-27 мая 2015).
Результаты работы опубликованы в сборниках трудов конференций:
1. III Всероссийского конкурса научных докладов студентов
«Функциональные материалы: разработка, исследование, применение» (Томск, 2015 г.)
2. VIII Международной научно-практической конференции «Физикотехнические проблемы в науке, промышленности и медицине» (Томск, 2016 г.).
В большинстве случаев для улучшения механических и трибологических свойств материала достаточно повысить твердость не всей детали, а лишь ее поверхности. Основными, на современном этапе развития науки и техники, методами увеличения твердости поверхности титана и его сплавов являются метод осаждения покрытий, лазерная обработка, имплантация и метод диффузионного насыщения поверхностного слоя легирующими элементами[1-3].
В промышленности для азотирования широко используется тлеющий разряд, который имеет недостатки, обусловленные большим рабочим давлением и, вследствие этого, невозможностью проводить очистку поверхности образца плазмой. В связи с этим исследователи обращают внимание на другие типы разрядов, которые способны функционировать при сравнительно малом давлении (1 Па и ниже). Одним из таких разрядов является вакуумно-дуговой. Использование вакуумно-дугового разряда для ионизации газа осложняется наличием ионов металла и микрокапель в плазменном потоке. Известно несколько способов очистки плазменного потока от металла[4]. Одним из них является использование для азотирования альтернативного типа разрядов - несамостоятельного газового разряда. Такой тип разряда предполагает наличие внешнего источника ионизации (первичных электронов). Самым простым в реализации источником первичных электронов является термокатод [5].
Цель работы - разработка механизмов повышения трибологических и прочностных характеристик технически чистого титана и сплава на его основе ВТ-6 путем насыщения поверхностного слоя материала азотом в плазме газового разряда низкого давления и облучения импульсным электронным пучком.
В ИСЭ СО РАН разработаны импульсная электронно-пучковая установка, применяемая для облучения поверхности твердых тел, и плазмогенератор, используемый для азотирования. Обе эти разработки подразумевают использования уникальной технологии поверхностной обработки металлов и сплавов. Научная новизна работы объясняется тем, что используемые в работе установки для электронно-ионно-плазменной модификации по совокупности параметров являются уникальными.
Результаты исследований могут быть использованы в областях промышленности и техники, где основные эксплуатационные свойства детали определяются состоянием ее поверхности (пары трения, коррозия, циклические нагрузки и т.д.), а также высокие удельными характеристиками (удельный предел прочности и т.д.). В частности это может быть использовано в аэрокосмической и авиационной промышленности, машиностроении и кораблестроении.
Результаты, полученные в работе, были представлены на седьмой международной научно-практическая конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине» (ТПУ, 1-3 июня 2016)и на третьем всероссийском конкурсе научных докладов студентов «Функциональные материалы: разработка, исследование, применение» (ТПУ, 26-27 мая 2015).
Результаты работы опубликованы в сборниках трудов конференций:
1. III Всероссийского конкурса научных докладов студентов
«Функциональные материалы: разработка, исследование, применение» (Томск, 2015 г.)
2. VIII Международной научно-практической конференции «Физикотехнические проблемы в науке, промышленности и медицине» (Томск, 2016 г.).
Таким образом, сопоставляя результаты, выявленные при испытании технически чистого титана марки ВТ1-0 на твердость и износостойкость, можно отметить, что облучение материала интенсивным электронным пучком приводит к упрочнению тонкого поверхностного слоя титана, что сопровождается снижением коэффициента трения и, очевидно, повышением износостойкости. Экспериментально установить факт повышения износостойкости не удалось вследствие относительно малой толщины упрочненного слоя и малого времени его существования при трибологических испытаниях.
Таким образом, обработка поверхности высокоинтенсивными импульсными электронными пучками, позволяет реализовать комплексное воздействие на поверхность материала. А именно, (1) сверхбыстрое нагревание мишени, сопровождающееся плавлением и испарением поверхностного слоя материала и десорбцией газа с поверхности материала; (2) перемешивание поверхностного слоя материала вследствие гидродинамических процессов и образование рельефа на поверхности в расплавленном слое; (3) ионизация десорбированных газов и паров материала мишени с формированием плазмы и ионных потоков; (4) сверхбыстрое охлаждение поверхности, способствующее изменению элементного и фазового состава, дефектной субструктуры, прочностных, усталостных, коррозионных и других свойств поверхностного слоя материала.
На примере технически чистого титана марки ВТ1-0 выполнен сравнительный анализ результатов тепловых расчетов и структурно-фазовых исследований поверхностного слоя, облученного интенсивным импульсным электронным пучком при вариации плотности энергии пучка электронов и длительности импульса воздействия. Показано, что многократное уменьшение размеров зеренно-субзеренной структуры материала можно реализовать при высокоскоростном циклированием (5 циклов) через точку полиморфного а^Р^а превращения, имеющем место при облучении титана электронным пучком с параметрами 10 Дж/см ; 150 мкс, 5 имп., 0,3 с- . В объеме сформированных таким образом зерен выявляется структура пластинчатого типа, характеризующаяся высоким уровнем кривизны-кручения кристаллической решетки.
Выявлено снижение степени шероховатости поверхности образцов технически чистого титана марки ВТ1-0, обработанных интенсивным электронным пучком. Показано, что после облучения при плотности энергии 25 Дж/см уровень шероховатости по отношению к исходному образцу, подвергнутому механическому полированию, снижается в «20 раз.
В результате механических и трибологических испытаний технически чистого титана марки ВТ1-0 (проведены испытания на твердость и износостойкость) установлено, что облучение материала интенсивным электронным пучком приводит к упрочнению тонкого поверхностного слоя титана, что сопровождается снижением коэффициента трения и, очевидно, повышением износостойкости. Экспериментально выявить факт повышения износостойкости не удалось вследствие относительно малой толщины упрочненного слоя и малого времени его существования при трибологических испытаниях.
Таким образом, выполненные исследования механических и трибологических свойств поверхностного слоя технически чистого титана ВТ1 - 0, подвергнутого азотированию в плазме газового разряда низкого давления с использованием плазмогенератора «ПИНК», позволили выявить многократное снижение коэффициента трения (более чем в 4 раза), повышение износостойкости (более чем в 8 раза) и микротвердости (более чем в 3 раза). Показано, что увеличение прочностных и трибологических характеристик материала обусловлено насыщением кристаллической решетки титана атомами азота, формированием субзеренной структуры, выделением частиц нитрида титана Ti2N.
Таким образом, обработка поверхности высокоинтенсивными импульсными электронными пучками, позволяет реализовать комплексное воздействие на поверхность материала. А именно, (1) сверхбыстрое нагревание мишени, сопровождающееся плавлением и испарением поверхностного слоя материала и десорбцией газа с поверхности материала; (2) перемешивание поверхностного слоя материала вследствие гидродинамических процессов и образование рельефа на поверхности в расплавленном слое; (3) ионизация десорбированных газов и паров материала мишени с формированием плазмы и ионных потоков; (4) сверхбыстрое охлаждение поверхности, способствующее изменению элементного и фазового состава, дефектной субструктуры, прочностных, усталостных, коррозионных и других свойств поверхностного слоя материала.
На примере технически чистого титана марки ВТ1-0 выполнен сравнительный анализ результатов тепловых расчетов и структурно-фазовых исследований поверхностного слоя, облученного интенсивным импульсным электронным пучком при вариации плотности энергии пучка электронов и длительности импульса воздействия. Показано, что многократное уменьшение размеров зеренно-субзеренной структуры материала можно реализовать при высокоскоростном циклированием (5 циклов) через точку полиморфного а^Р^а превращения, имеющем место при облучении титана электронным пучком с параметрами 10 Дж/см ; 150 мкс, 5 имп., 0,3 с- . В объеме сформированных таким образом зерен выявляется структура пластинчатого типа, характеризующаяся высоким уровнем кривизны-кручения кристаллической решетки.
Выявлено снижение степени шероховатости поверхности образцов технически чистого титана марки ВТ1-0, обработанных интенсивным электронным пучком. Показано, что после облучения при плотности энергии 25 Дж/см уровень шероховатости по отношению к исходному образцу, подвергнутому механическому полированию, снижается в «20 раз.
В результате механических и трибологических испытаний технически чистого титана марки ВТ1-0 (проведены испытания на твердость и износостойкость) установлено, что облучение материала интенсивным электронным пучком приводит к упрочнению тонкого поверхностного слоя титана, что сопровождается снижением коэффициента трения и, очевидно, повышением износостойкости. Экспериментально выявить факт повышения износостойкости не удалось вследствие относительно малой толщины упрочненного слоя и малого времени его существования при трибологических испытаниях.
Таким образом, выполненные исследования механических и трибологических свойств поверхностного слоя технически чистого титана ВТ1 - 0, подвергнутого азотированию в плазме газового разряда низкого давления с использованием плазмогенератора «ПИНК», позволили выявить многократное снижение коэффициента трения (более чем в 4 раза), повышение износостойкости (более чем в 8 раза) и микротвердости (более чем в 3 раза). Показано, что увеличение прочностных и трибологических характеристик материала обусловлено насыщением кристаллической решетки титана атомами азота, формированием субзеренной структуры, выделением частиц нитрида титана Ti2N.