Модификация титана при воздействии компрессионными плазменными потоками

УДК 669.295:[539.21:533.92] 

Модификация титана при воздействии компрессионными плазменными потоками / В. М. Асташинский [и др.]. - Минск: Беларуская навука, 2016. - 179 с. - ISBN 978­985­08­1976­5.

Представлены результаты комплексных исследований по влиянию воздействия компрессионных плазменных потоков на структурно­фазовое состояние, элементный состав и микротвердость поверхностного слоя титана. 
Рассмотрены основные направления модификации свойств титана, включающие азотирование и легирование атомами металлов. Особое внимание уделяется механизмам взаимодействия плазменных потоков с поверхностью, процессам теплои массопереноса в поверхностном слое и кристаллизации из 
расплава в условиях сверхбыстрого охлаждения.
Предназначена для специалистов в области физики конденсированного 
состояния, материаловедения титана и физики взаимодействия потоков заряженных частиц и плазмы с твердыми телами, также будет полезна для аспирантов и студентов высших учебных заведений соответствующих специальностей.
Табл. 8. Ил. 62. Библиогр.: 234 назв.

А в т о р ы:

В. М. Асташинский, В. В. Углов, Н. Н. Черенда, В. И. Шиманский

Р е ц е н з е н т ы:

доктор технических наук, профессор, академик С. А. Астапчик,  

доктор технических наук, профессор, член­корреспондент В. К. Шелег

ISBN 978-985-08-1976-5
© Оформление. РУП «Издательский дом  
    «Беларуская навука», 2016

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВИМС – вторично­ионная масс­спектроскопия
КИБ  – конденсация вещества с ионной бомбардировкой
КПЭ  – концентрированные потоки энергии
КПП  – компрессионные плазменные потоки
МИП  – мощные ионные пучки
МПК  – магнитоплазменный компрессор
ОЦК  - объемно­центрированная кубическая структура
ОЭС  – Оже­электронная спектроскопия
РОР  – резерфордовское обратное рассеяние
РСА  – рентгеноструктурный анализ
РСМА – рентгеноспектральный микроанализ
РЭМ  – растровая электронная микроскопия
СЭП  – сильноточные электронные пучки
ХРИ  – характеристическое рентгеновское излучение
ЭВЛ  – электровзрывное легирование
C  
– концентрация 

d  
– толщина покрытия

D  
– коэффициент диффузии

E  
– энергия электронов

H  
– микротвердость 

k  
– коэффициент распределения примеси

L  
– расстояние между образцом и электродом в МПК

Ms  
– температура начала мартенситного перехода

Mf   
– температура окончания мартенситного перехода

n  
– число импульсов

p  
– давление плазменного потока

Ra  
- число Рэлея

T  
– температура

Q  
– плотность поглощенной энергии

U  
– напряжение на накопительной системе конденсаторов

a­Ti  
– низкотемпературная фаза титана

b­Ti  
– высокотемпературная фаза титана

t  
– длительность импульса

ВВЕДЕНИЕ

Одним из перспективных направлений развития современного материаловедения и физики конденсированного состояния 
является разработка способов модифицирования структурнофазового состояния различных материалов, в результате чего 
достигается повышение их эксплуатационных параметров. В ря де 
случаев сроки эксплуатации изделий определяются преимущественно их поверхностными свойствами, в связи с чем актуальным представляется разработка методов поверхностной обработки материалов.

Большое количество исследований сегодня ведется в области обработки сплавов на основе титана, которые являются одними из широко применяемых технических материалов. За счет 
низкой плотности, сочетающейся с высокой прочностью, а также высокой коррозионной стойкости титановые сплавы нашли 
широкое применение в таких отраслях промышленности, как 
авиастроение и судостроение. Они используются при изготовлении лопаток турбин и элементов корпусов. В то же время титан 
обладает хорошей биосовместимостью к тканям живых организмов, что послужило основой для синтеза новых материалов для 
изготовления искусственных имплантатов, протезов, а также 
инструментов медицинского назначения. Тем не менее основной 
причиной, сдерживающей расширение областей применения титановых сплавов, является их низкая износостойкость, обусловленная в первую очередь низкой твердостью. В связи с этим 
большинство методов поверхностного модифицирования титановых сплавов направлено на повышение их твердости.

Традиционным методом поверхностной обработки титановых сплавов считается химико­термическая обработка, которая 

в большинстве случаев связана с процессом азотирования. Титан характеризуется высоким химическим сродством к азоту, 
в результате чего при его взаимодействии с атомами азота происходит образование нитрида титана TiN, который обладает достаточно высокой твердостью. Совокупность методов химикотермической обработки подразумевает насыщение поверхностного 
слоя образца из титанового сплава атомами азота из газовой атмосферы при повышенных температурах. Основным механизмом, позволяющим осуществлять массоперенос в поверхностном слое, является диффузия, которая требует большой длительности для достижения необходимой концентрации азота в поверхностном слое. 

Также к числу широко используемых методов обработки титана и его сплавов следует отнести деформационные методы, 
связанные с формированием дефектной структуры, в частности, 
повышенной плотности дислокаций, образованием текстуры 
и измельчением зерен. В этом отношении достаточно хорошо зарекомендовал себя метод интенсивной пластической деформации, который позволяет переводить заготовки титана из крупнокристаллического в субмикрои нанокристаллическое состояние, увеличивая при этом его прочностные характеристики. 

Еще одна группа методов, позволяющих повысить механические характеристики поверхностных слоев титана, связана 
с его легированием атомами металлов, приводящим к формированию сплавов различного фазового состава. В зависимости от 
растворимости атомов легирующих металлов в аллотропных 
модификациях титана выделяют a­, (a+b)и b­сплавы. Традиционно формирование поверхностных сплавов осуществлялось 
с помощью низкоэнергетической ионной имплантации, которая 
также требует длительного времени для достижения необходимой концентрации легирующих элементов.

В последнее время стали широко развиваться методы модифицирования материалов, в том числе и титановых сплавов, связанные с воздействием концентрированных потоков энергии 
(КПЭ). В качестве КПЭ сегодня активно используют электронные и ионные пучки, плазменные потоки, а также высокоинтенсивное электромагнитное (лазерное) излучение. Совокупность 

данных методов позволяет сконцентрировать за относительно 
короткий промежуток времени (10–6–10–4 с) высокую плотность 
энергии (1–100 Дж/см2) в тонком (0,1–10 мкм) приповерхностном 
слое материала. Сверхвысокие скорости разогрева до критических температур плавления и последующее высокоскоростное 
(≥ 106 К/с) охлаждение тонкого поверхностного слоя образца, находящегося в расплавленном состоянии, способствуют формированию нанои субмикрокристаллических состояний, фазовый 
состав которых зачастую недостижим при традиционных методах термической и химико­термической обработки. Свойства 
получаемого при этом поверхностного слоя во многом определяются характеристиками электронных, ионных и плазменных 
источников, используемых для этих целей. С этой точки зрения 
теоретические и экспериментальные исследования основных 
принципов генерации электронных, ионных пучков и плазменных потоков, а также создание современного оборудования для 
формирования наноструктурированных материалов являются 
одной из актуальных задач материаловедения.

Системы, генерирующие импульсные электронные и ионные пучки с длительностью импульса от сотен наносекунд до 
десятков микросекунд, позволяют осуществлять модифицирование поверхностных слоев материалов исключительно за счет 
тепловых процессов, обусловливающих в первую очередь эффект закалки поверхностного слоя. Однако малое время существования поверхностного расплава, сравнимое с длительностью 
импульса, не обеспечивает интенсивное протекание процессов 
массопереноса, определяющих изменение элементного и фазового состава в гетерогенных системах. С целью повышения времени 
существования поверхностного расплава могут быть использованы квазистационарные плазменные ускорители с собственным азимутальным магнитным полем, генерирующие направленные плотные плазменные потоки с малой расходимостью 
и относительно большой длительностью существования (на уровне 
сотен микросекунд). Лидирующее положение в мире в области 
исследований квазистационарных плазменных ускорителей занимает Институт теплои массообмена им. А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси. 

Повышение длительности импульса в плазменных ускорителях позволило разработать эффективные методики легирования 
поверхностных слоев материалов, при которых высокоэнергетическое воздействие осуществляется на обрабатываемый материал с предварительно нанесенным металлическим покрытием. 
В этом случае наряду с тепловым эффектом производится также 
жидкофазное легирование поверхностного слоя. Использование 
таких источников для поверхностного модифицирования титановых сплавов представляется особенно актуальным ввиду возможности одновременного их легирования атомами различных 
металлов, а также формирования нанокристаллической структуры в процессе закалки. Более того, использование для этих 
целей компрессионных плазменных потоков, генерируемых 
в атмосфере азота, позволяет наряду со всем вышеперечисленным проводить и азотирование поверхностного слоя титановых 
сплавов.

На сегодняшний день проведены исследования и получен 

ряд экспериментальных результатов, указывающих на перспективность использования компрессионных плазменных потоков 
с целью легирования поверхностных слоев низкоуглеродистой 
стали, кремния, алюминиевых сплавов, композиционных материалов на основе тугоплавких карбидов металлов. Однако до 
сих пор не существует единой теоретической модели, позволяющей описать процессы теплои массопереноса в поверхностных 
слоях материалов, подвергнутых воздействию высокоэнергетических плазменных потоков. Также не установлены основные 
закономерности структурно­фазовых изменений в поверхностных слоях титана, легированного атомами металлов в результате 
воздействия на них компрессионных плазменных потоков. В свя зи 
с этим в настоящей работе рассматриваются основные закономерности структурно­фазовых превращений в приповерхностных 
слоях титана, обусловленные воздействием компрессионных 
плазменных потоков, а также связанное с ними модифицирование механических свойств.

Глава 1

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА 

И ЕГО СПЛАВОВ

Титан и его сплавы представляют собой один из наиболее 

распространенных классов материалов, используемых в современной промышленности, начиная от микроскопических ортопедических имплантатов и заканчивая массивными элементами 
авиационной и космической техники. Такой широкий спектр использования титана порождает интенсивное развитие методов 
модифицирования его структурно­фазового состояния, позволяющих придать обрабатываемым изделиям необходимые свойства. В связи с этим данная глава посвящена общему описанию 
структуры и физико­механических свойств титана и его сплавов, что позволит в дальнейшем провести анализ роли воздействия на него компрессионными плазменными потоками и легирования атомами металлов.

Титан представляет собой металл, принадлежащий к четвертой группе Периодической системы элементов (порядковый номер – 22) и относится к переходным металлам с недостроенной 
3d­оболочкой. Атом титана имеет следующее электронное строение: 1s22s22p63s23p63d24s2. Третий и четвертый уровни электронной оболочки полностью недостроены (3d24s2), что позволяет отнести титан к переходным металлам и объясняет многие 
особенности его физико­химических свойств. В соответствии со 
строением двух внутренних оболочек атома титана наиболее характерны для него соединения, в которых он четырехвалентен, 
хотя есть соединения, где он имеет меньшую валентность. Атомный радиус изолированного атома титана равен 0,146 нм.

Ближайшими аналогами титана являются цирконий, гафний 

и торий, относящиеся к той же группе Периодической системы 

элементов и имеющие сходное электронное строение и кристаллическую структуру.

Титан может существовать в двух аллотропических модификациях – низкотемпературной (a­фаза) и высокотемпературной 
(b­фаза) (рис. 1.1) [1–3]. Низкотемпературная a­фаза титана имеет гексагональную кристаллическую решетку (пространственная группа симметрии P6/mmm), параметры которой, как было 
определено на титане высокой чистоты (иодидном титане) при 
температуре 25 °С, имеют следующие значения: a = 0,295 нм, 
с = 0,468 нм, параметр гексагональности c/a = 1,58 и является несколько меньше величины 1,633, характерной для плотноупакованных гексагональных структур. При повышении температуры 
параметры a и c линейно возрастают [4, 5]. 

С точки зрения упругих свойств гексагональная решетка титана обладает определенной анизотропией, которая проявляется 
в зависимости упругих модулей от направления приложенной 
силы внешнего воздействия. Так, модуль упругости (модуль Юнга) 
имеет максимальное значение 145 ГПа вдоль оси с и составляет 
100 ГПа в перпендикулярном направлении. Аналогичную зависимость от направления проявляет модуль сдвига, который изменяется от 46 до 34 ГПа [4]. 

Деформация низкотемпературной фазы титана может осуществл яться как за счет скольжения, так и за счет двойникования [1]. 
Вследствие того, что параметр гексагональности элементарной 

Рис. 1.1. Элементарные ячейки низкотемпературной (гексагональной) a­фазы 

(а) и высокотемпературной (кубической) b­фазы (б) титана

ячейки a­фазы титана меньше, чем 1,633, пластическая деформация скольжением осуществляется преимущественно по плоскостям {1010} и {1011}с направлением скольжения 
1120
<
> . 

Базисные плоскости {0001} являются плоскостями скольжения 
с направлением скольжения 
1120
<
>  только в монокристаллах 

титана высокой чистоты. Скольжение по плоскости {1011} начинается прежде всего тогда, когда затрудняется скольжение по 
плоскости {1010} вследствие наличия примесных атомов, располагающихся преимущественно в октаэдрических пустотах. 

Аналогично плоскостям скольжения в титане выявлены плоскости двойникования, число которых больше, чем у других 
гексагональных металлов. В монокристаллических образцах титана были обнаружены следующие плоскости двойникования: 
{1012}, {1121}, {1122}, {1123}  и {1124}.

Из­за сильного химического сродства к различным элементам титан даже высокой чистоты содержит небольшое количество примесей, в основном кислорода, которые оказывают сильное влияние на его механические свойства. Эксперименты, проведенные на титановых сплавах высокой чистоты, позволили 
определить основные прочностные параметры, характеризующие 
пластическое деформирование низкотемпературной фазы титана. Так, предел пропорциональности для титана, вплоть до которого решетка деформируется упруго, составляет около 20 МПа, 
предел текучести (s0,2) находится в диапазоне 100–130 МПа, 
предел прочности (sВ) - 200–300 МПа [1]. Предел прочности титана может быть повышен до уровня, соответствующего пределу прочности нелегированной стали, введением примесей. Элементы внедрения, содержащиеся в технически чистом титане, – 
кислород, азот, углерод и водород – оказывают наиболее сильное 
влияние на его механические свойства. Кислород и азот, обладая высокой растворимостью в a­фазе титана, могут в большей 
степени повышать предел прочности, уменьшая при этом пластичность.

При температуре выше 882 °С стабильной является b­фаза 

титана, имеющая объемно­центрированную кубическую структуру (ОЦК) (пространственная группа симметрии Im3m). Значение