vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2019-64-1-25-34vestift-417Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYИсследование формирования упрочненных слоев на титановых сплавах методом ионноплазменного азотированияInvestigation of formation of hardened layer on titanium alloys by the method of ion-plasma nitridingПобольИ. Л.PobolI. L.

Доктор технических наук, начальник отдела электронно-лучевых технологий и физики плазмы.

ул. Академика Купревича, 10, 220141, Минск.

Igor L.  – D. Sc. (Engineering), Head of Department of Electron Beam Technologies and Plasma Physics.

10, Academician Kuprevich Str., 220141.

pobol@phti.byОлешукИ. Г.OleshukI. G.

Старший научный сотрудник.

ул. Академика Купревича, 10, 220141, Минск.

Senior Researcher.

10, Academician Kuprevich Str., 220141.

i.oleshuk@mail.ruДробовА. Н.DrobovA. N.

Научный сотрудник.

ул. Академика Купревича, 10, 220141, Минск.

Research Fellow.

10, Academician Kuprevich Str., 220141.

drobovandrey@yandex.byФунСунFengSun

 Старший инженер.

ул. Хансай, 8, 100095, Пекин.

Senior Engineer.

8, Hangcai Str., 100095, Beijing.

55878721@qq.comЛинВанLinWang

Инженер.

ул. Хансай, 8, 100095, Пекин.

Engineer.

8, Hangcai Str., 100095, Beijing.

Iynn_wang121@163.comФизико-технический институт Национальной академии наук Беларуси.Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus.Пекинский институт авиационных материалов.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials.2019260320196412534Copyright © Поболь И.Л., Олешук И.Г., Дробов А.Н., Фун С., Лин В., 20192019Поболь И.Л., Олешук И.Г., Дробов А.Н., Фун С., Лин В.Pobol I.L., Oleshuk I.G., Drobov A.N., Feng S., Lin W.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/417

Для повышения износостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости изделий авиационной техники, машиностроения и медицины из титана и его сплавов в мировой практике применяют различные методы. Наибольший эффект обеспечивает ионно-плазменное азотирование, которое позволяет получать упрочненные слои с твердостью HV0,01 650–1100 толщиной 0,07–0,20 мм за 3–6 ч в зависимости от марки титанового сплава.

Технологическими факторами, влияющими на эффективность ионно-плазменного азотирования материалов, являются температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси. Исследовано влияние указанных технологических параметров на микроструктуру, микротвердость и глубину упрочненных слоев. Показано, что, изменяя состав, объем и периодичность подачи газовой среды (азота и аргона) на стадии разогрева и выдержки образцов из титана и его сплавов при ионно-плазменном азотировании, можно управлять значениями твердости и глубины азотируемого слоя. Изучены триботехнические характеристики титановых сплавов в исходном состоянии и после ионно-плазменного азотирования в условиях трения без смазочного материала. Если для сплавов в состоянии поставки в процессе испытаний имеет место монотонное снижение коэффициента трения с 0,35–0,40 до 0,25, то после азотирования сплавов ВТ1-0 и ВТ6 коэффициент трения монотонно повышается от значения 0,14 и достигает величины 0,30 при удалении контртелом упрочненного слоя.

Исследования коррозионной стойкости титана ВТ1-0, проведенные в 10%-ном растворе серной кислоты, показали, что после ионно-плазменного азотирования при температуре 830 °С в течение 6 ч коррозионная стойкость повышается, о чем свидетельствует положительный потенциал поляризации образца. 

 Various methods are applied in the world practice to increase wear resistance, fatigue strength and corrosion resistance of aviation equipment, machinery and medicine parts made of titanium and its alloys. Ion-plasma nitriding provides the ultimate effect making it possible to obtain hardened layers with hardness of HV0.01 650–1000 with a thickness of 0.07–0.20 mm for 3–6 hours, depending on the grade of the titanium alloy.

Technological factors effecting on the efficiency of ion-plasma nitriding of materials are the process temperature, duration of saturation, pressure, composition and flow rate of the working gas mixture. The effect of these technological parameters on the microstructure, microhardness and depth of hardened layers is investigated in the work. It is shown that hardness and depth of the nitrided layer can be controlled by changing the composition, volume and periodicity of the gaseous medium (nitrogen and argon) supply at the stages of heating and holding time of the samples from titanium and its alloys under ion-plasma nitriding. The tribological characteristics of titanium alloys as-received and the same ones subjected to ion-plasma nitriding under friction conditions without a lubricant were studied. For VT1-0 and VT6 alloys in the as-received state during the tests there is a monotonous decrease of the friction coefficient from 0.35–0.40 to 0.25, after nitriding the friction coefficient monotonically increases from 0.14 up to 0.30 when removing the hardened layer.

Studies of corrosion resistance of titanium VT1-0, carried out in a 10 % solution of sulfuric acid, showed that after ion-plasma nitriding at a temperature of 830 °C for 6 hours, the corrosion resistance increases, as the positive polarization potential of the sample shows.

ионно-плазменное азотированиетитановые сплавымикроструктурамикротвердостькоррозионная стойкостькоэффициент тренияion-plasma nitridingtitanium alloysmicrostructuremicrohardnesscorrosion resistancecoefficient of frictionReferencesНаноструктурный титан для биомедицинских применений: новые разработка и перспективы коммерциализации / Р. З. Валиев [и др.] // Российские нанотехнологии. – 2008. – Т. 3, № 9–10. – С. 80–89.Valiev R. Z., Semenova I. P., Latysh V. V., Scherbakov A. V., Yakushina E. B. Nanostructured titanium for biomedical applications: new development and commercialization prospects. Rossiiskie nanotehnologii = Nanotechnologies in Russia, 2008, vol. 3, no. 9–10, pp. 593-601. https://doi.org/10.1134/s1995078008090097Процессы пластического структурообразования металлов / В. М. Сегал [и др.]. – Минск: Навука i тэхнiка, 1994. – 232 с.Segal V. M., Reznikov V. I., Kopylov V. I., Pavlik D. A., Malyshev V. F. Processes of Plastic Structuring of Metals. Minsk, Navuka i tehnika Publ., 1994. 232 p. (in Russian).Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов / Ю. Р. Колобов [и др.]. – Новосибирск: Наука, 2001. – 232 с.Kolobov Yu. R., Valiev R. Z., Grabovetskaya G. P. Grain-Boundary Diffusion and Properties of Nanostructured Materials. Novosibirsk, Nauka Publ., 2001. 232 p. (in Russian).Старикова, C. Л. Особенности применения титана для изготовления стоматологических имплантатов / C. Л. Старикова, В. В. Стариков // Вiсник проблем биологiï i медицини. – 2014. – Вип. 2, т. 2 (108). – С. 160–163.Starikova S. L., Starikov V. V. Features of the use of titanium for the manufacture of dental implants. Visnik problem biologiï i meditsini = Bulletin of Problems Biology and Medicine, 2014, issue 2, vol. 2 (108), pp. 160–163 (in Russian).Константинов, В. М. Структурно-фазовое состояние поверхности титана после борирования в расплаве / В. М. Константинов, Г. В. Стасевич, А. Г. Ковальчук // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сб. науч. тр.: в 3 кн. – Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2015. – Кн. 1: Материаловедение. – С. 88–94.Konstantinov V. M., Stasevich G. V., Kovalchuk A. G. Structural-phase state of the surface of titanium after boriding in the melt. Sovremennye metody i tekhnologii sozdaniya i obrabotki materialov: sb. nauch. tr. Kn. 1: Materialovedenie [Modern Methods and Technologies of Creation and Processing of Materials: Collection of Scientific Papers. Book. 1. Material Science]. Minsk, Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, 2015, pp. 88–94 (in Russian).Пресман, Ю. Н. Исследование процессов химико-термической обработки титановых сплавов в металлотермических смесях: автореф. дисс. … канд. техн. наук / Ю. Н. Пресман. – Минск, 1974. – 24 с.Presman Yu. N. Investigation of the Processes of Chemical-Thermal Treatment of Titanium Alloys in Metal-Thermal Mixtures. Minsk, 1974. 24 p. (in Russian).Rie, K.-T. Thermochemical surface treatment of titanium and titanium alloy Ti–6Al–4V by low energy nitrogen ion bombardment / K.-T. Rie, Th. Lampe // Mater. Sci. Eng. – 1985. – Vol. 69, iss. 2. – P. 473–481. https://doi.org/10.1016/0025-5416(85)90349-0Rie K.-T., Lampe Th. Thermochemical surface treatment of titanium and titanium alloy Ti–6Al–4V by low energy nitrogen ion bombardment. Materials Science and Engineering, vol. 69, iss. 2, pp. 473–481. https://doi.org/10.1016/0025-5416(85)90349-0Неровный, В. М. Азотирование поверхности титановых сплавов дуговой плазмой низкого давления / В. М. Неровный, В. В. Перемитько // Физика и химия обработки материалов. – 1995. – № 3. – C. 49–54.Nerovnyi V. M., Peremit’ko V. V. Nitriding of the surface of titanium alloys by an arc plasma of low pressure. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of Materials Treatment, 1995, no 3, pp. 49–54 (in Russian).Будилов, В. В. Ионное азотирование поверхности конструкционных сталей и сплавов в тлеющем разряде на основе эффекта полого катода / В. В. Будилов, Р. Д. Агзамов // Proc. of 6th Intern. Conf. on Modif. of Mater. with Particle Beams and Plasma Flow. Tomsk, Russia, September, 23–27, 2002. – Tomsk, 2002. – P. 428–431.Budilov V. V., Agzamov R. D. Ion nitriding of the surface of structural steels and alloys in a glow discharge based on the effect of a hollow cathode. Proc. of 6th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia, September, 23–27, 2002. Tomsk, 2002. Рp. 428–431 (in Russian).Влияние вакуумной ионно-плазменной обработки на коррозионные свойства титановых сплавов разных классов / А. А. Ильин [и др.] // Титан. – 2009. – № 1. – С. 26–29.Il'in A. A., Petrov L. M., Karpov V. N., Spektor V. S., Chernysheva Yu.V. Influence of vacuum ion-plasmous treatment on corrosion resistance of titanium alloys of different classes. Titan = Titan, 2009, no. 1, pp. 26–29 (in Russian).Смолякова, М. Ю. Влияние параметров процесса низкотемпературного азотирования на структуру и свойства титана ВТ1-0 / М. Ю. Смолякова, Д. С. Вершинин, Ю. Р. Колобов // X Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 7–11 дек. 2009 г. – Екатеринбург, 2009. – С. 401–403.Smolyakova M. Yu., Vershinin D. S., Kolobov Yu. R. Influence of parameters of the low-temperature nitriding process on the structure and properties of titanium VT1-0. X Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya Ural'skaya shkola-seminar metallovedov-molodykh uchenykh, Ekaterinburg, 7–11 dek. 2009 g. [X International Scientific and Technical Ural School-Seminar of Metal Scientists-Young Scientists, Ekaterinburg, December 7–11, 2009]. Ekaterinburg, 2009, pp. 401–403 (in Russian).Пастух, И. М. Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде / И. М. Пастух. – Харьков: Изд-во Нац. науч. центра Харьк. физ.-техн. ин-та, 2006. – 364 с.Pastukh I. M. Theory and Practice of Non-Hydrogen Nitriding in a Glow Discharge. Kharkov, Publishing house of the National Science Center of Kharkov Physical-Technical Institute, 2006. 364 p. (in Russian).Ионная химико-термическая обработка сплавов / Б. Н. Арзамасов [и др.]. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1999. – 400 с.Arzamasov B. N., Bratuhin A. G., Eliseev U. S., Panaioti T. A. Ion Сhemical-Thermal Treatment of Alloys. Mosсow, Bauman Moscow State Technical University Publ., 1999. 400 p. (in Russian).Азотирование технически чистого титана в тлеющем разряде с полым катодом / Ю. А. Ахмадеев [и др.] // Письма в ЖТФ. – 2005. – Т. 31, вып. 13. – С. 24–30.Akhmadeev Yu. Kh., Goncharenko I. M., Ivanov Yu. F., Koval N. N., Schanin P. M. Nitriding of technical-purity titanium in hollow-cathode glow discharge. Technical Physics Letters, 2005, vol. 31, iss. 7, pp. 548–550. https://doi.org/10.1134/1.2001050Повышение износостойкости сплава ВТ6 азотированием / И. Н. Погрелюк [и др.] // Материалы XIII Международной научно-технической конференции «АВИА-2017», 19–21 апр. 2017, г. Киев. – Киев, 2017. – С. 83–85.Pogrelyuk I. N., Trush V. S., Lukyanenko O. G., Kravchyshyn Т. М., Pobol I. L., Nazarova O. I. Increase of wear resistance of VT6 alloy by nitriding. Materialy XIII Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «AVIA-2017», 19–21 apr. 2017, g. Kiev [Materials of the XIII International Scientific and Technical Conference “AVIA-2017”, Kiev, 19–21 April 2017]. Kiev, 2017. Pp. 83–85 (in Russian).Лукина, Е. А. Закономерности формирования структуры при ионно-вакуумном азотировании титановых сплавов: дисс. … канд. техн. наук / Е. А. Лукина. – М., 2007. – 168 с.Lukina E. A. Regularities of Structure Formation During Ion-Vacuum Nitriding of Titanium Alloys. Moskow, 2007. 168 p. (in Russian).Дробов, А. Н. Некоторые проблемы азотирования титановых сплавов медицинского и авиационного назначения / А. Н. Дробов // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сб. науч. тр.: в 3 кн. – Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2016. – Кн. 2. – С. 98–104.Drobov A. N. Some problems of titanium alloys nitriding for medical and aviation applications. Sovremennye metody i tekhnologii sozdaniya i obrabotki materialov: sb. nauch. Kn. 2 [ Modern Methods and Technologies of Creation and Processing of Materials: Collection of Scientific Papers. Book. 2]. Minsk, Physical-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, 2016, pp. 98–104 (in Russian).Вершинин, Д. С. Низкотемпературное азотирование титана в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления / Д. С. Вершинин, М. Ю. Смолякова // Физика и химия обработки материалов. – 2011. – № 5. – С. 15–20.Vershinin D. S., Smolyakova M. Yu. Low-temperature nitriding of titanium in a low-pressure non-stationary arc discharge plasma. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and Chemistry of Materials Treatment, 2011, no. 5, pp. 15–20 (in Russian).Исследование трибологических свойств азотированного титанового сплава ВТ16 / Д. С. Вершинин [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2010. – Т. 76, № 12. – С. 45–49.Vershinin D. S., Smolyakova M. Yu., Manokhin S. S., Druchinina O. A., Akhmadeev Yu. Kh. Investigation of tribological properties of nitrided titanium alloy VT16. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = Industrial laboratory. Diagnostics of materials, 2010, vol. 76, no. 12, pp. 45–49 (in Russian).Biro, A. S. Trends of nitriding processes / A. S. Biro // Production Processes and Systems. – 2013. – Vol. 6, № 1. – P. 57–66.Biro A. S. Trends of nitriding processes. Production Processes and Systems, 2013, vol. 6, no. 1, pp. 57–66.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.